Language
Country/Area
No result found
Чудо электронного спаривания: почему крошечные притяжения могут вызывать сверхпроводимость?
В области физики конденсированного состояния куперовская пара или пара БКШ (пара Бардина-Купера-Шрайвера) представляет собой пару электронов, которые соединяются определенным образом при низких температурах. Эту концепцию впервые предложил американский физик Леон Купер в 1956 году. Купер показал, что даже при слабом притяжении электроны внутри металла могут образовывать парное состояние с энергией ниже энергии Ферми, что позволяет предположить, что пара связана. В традиционных сверхпроводниках это притяжение возникает в результате взаимодействия электронов и фононов.
Состояние куперовских пар является источником явления сверхпроводимости, описанного в теории БКШ, предложенной Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шрайвером. Таким образом, трое ученых разделили Нобелевскую премию Белла 1972 года.
Хотя спаривание Купера представляет собой квантовый эффект, основную концепцию механизма его спаривания можно объяснить с помощью упрощенного классического объяснения. Обычно электроны внутри металла движутся свободно, но отталкиваются отрицательными зарядами между ними, однако они также притягивают положительные ионы, составляющие кристаллическую решетку металла; Это притяжение будет деформировать ионы в кристаллической решетке, тем самым увеличивая плотность положительного заряда в области, близкой к электронам, тем самым притягивая другие электроны. На больших расстояниях это притяжение между электронами, вызванное смещением ионов, может преодолеть отталкивание между электронами, побуждая их образовывать пары.
Углубленное объяснение квантовой механики показывает, что этот эффект возникает в результате взаимодействия между электронами и фононами, которые представляют собой коллективное движение положительных зарядов в кристаллической решетке. Энергия парных взаимодействий весьма мала, порядка 0,001 эВ, поэтому тепловая энергия может легко разорвать эти пары. Вот почему в металлах или других подложках куперовские пары могут образовываться только тогда, когда при низких температурах больше электронов.
Спаренные электроны не обязательно должны быть близко друг к другу, потому что это взаимодействие является дальнодействующим. Спаренные электроны могут находиться на расстоянии сотен нанометров друг от друга, и это расстояние обычно больше, чем среднее расстояние между электронами, что позволяет многим куперовским парам. занимают одно и то же пространство.
Электроны имеют спин 1/2, поэтому они являются фермионами, но куперовские пары имеют целочисленный спин (0 или 1), поэтому они образуют составные бозоны. Это означает, что их волновые функции симметричны при обмене частицами. Следовательно, в отличие от электронов, несколько куперовских пар могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, что и является основной причиной сверхпроводимости.
Теория БКШ применима и к другим фермионным системам, например к сверхтекучести ^3He. Куперовское спаривание также считается причиной сверхтекучести ^3He при низких температурах. Более того, в 2008 году было высказано предположение, что пары бозонов в оптической решетке могут быть подобны парам Купера. Это говорит о том, что куперовские пары не ограничиваются взаимодействиями между электронами, но могут распространяться и на другие системы частиц.
Образование куперовских пар приводит к тому, что все куперовские пары «конденсируются» в одно и то же основное состояние внутри материала, что является своеобразным свойством, проявляемым сверхпроводимостью.
Купер первоначально рассматривал только образование изолированных пар внутри металла, затем исследовал более реалистичное образование множественных пар в теории БКШ и обнаружил, что спаривание создает энергетическую щель в непрерывном спектре разрешенных энергетических состояний электронов. все возбуждения системы должны иметь определенную минимальную энергию. Эта энергетическая щель для возбуждений приводит к сверхпроводимости, поскольку малые возбуждения, такие как рассеяние электронов, запрещены. Эта энергетическая щель возникает из-за эффекта многих тел, вызванного взаимным притяжением между электронами.
Р.А. Огг-младший первым предположил, что электроны могут вести себя как пары, связанные колебаниями решетки, - идея, подтвержденная изотопными эффектами, наблюдаемыми в сверхпроводниках. Этот эффект показывает, что материалы с более тяжелыми ионами (разные ядерные изотопы) имеют более низкие температуры сверхпроводящего перехода, что можно объяснить теорией спаривания Купера: более тяжелые ионы обладают более слабой способностью притягивать и перемещать электроны, что приводит к пара меньше.
Хотя современные теории не полагаются на конкретные электрон-фононные взаимодействия, теоретики конденсированного состояния предложили механизмы спаривания, основанные на других притягивающих взаимодействиях, таких как электрон-экситонные взаимодействия или электрон-плазменные взаимодействия. На данный момент другие парные взаимодействия не наблюдались ни в одном материале.
Стоит отметить, что куперовское спаривание не предполагает спаривания отдельных электронов с образованием «квазибозонов». Его парное состояние является энергетически доминирующим электронным состоянием, и электроны будут преимущественно переходить в эти состояния и выходить из них.
Янг предложил в качестве ядра теории спаривания Купера квадратичную когерентность, участвующую в математическом описании. Учитывая потенциальный вклад явлений сверхпроводимости в развитие науки и техники, как будущие исследования осветят путь к пониманию сверхпроводимости и образованию куперовских пар?
