Language
Country/Area
No result found
Секретное оружие сверхпроводимости: почему куперовские пары могут предотвратить столкновение электронов?
В физике конденсированного состояния пары Купера, также известные как пары БКШ (пары Бадрена-Купера-Шривера), были предложены американским физиком Леоном Купером в 1956 году и относятся к парам электронов, которые связываются друг с другом определенным образом при низких температурах. . Это явление раскрывает основные принципы работы сверхпроводников.
Купер показал, что даже небольшой силы притяжения достаточно, чтобы заставить электроны в металлах спариться, причем энергия пары будет ниже энергии Ферми, а это означает, что пара связана.
В традиционных сверхпроводниках это притяжение в основном возникает из-за взаимодействия электронов и фононов. Состояния пар Купера являются источником сверхпроводимости — теории, разработанной Джоном Бадерьяном, Леоном Купером и Джоном Шривером, за которую они получили Нобелевскую премию в 1972 году.
Хотя куперовское спаривание является квантовым эффектом, его причину можно увидеть в упрощенном классическом объяснении. Электроны в металлах обычно ведут себя как свободные частицы. Из-за своего отрицательного заряда электроны отталкивают друг друга, но они также притягивают положительные ионы, составляющие жесткую кристаллическую решетку металла. Эта сила притяжения может исказить ионную решетку, заставляя ионы слегка двигаться к электронам, тем самым увеличивая плотность положительных зарядов поблизости.
Этот положительный заряд притягивает другие электроны. На больших расстояниях притяжение между электронами, вызванное движущимися ионами, может преодолеть эффекты отталкивания между ними, что приведет к спариванию электронов.
Строгая квантовомеханическая интерпретация показывает, что этот эффект спаривания вызван взаимодействием между электронами и фононами. Хотя энергия парных взаимодействий довольно мала, порядка 10. Электроны связаны в куперовские пары.
Электроны в куперовской паре не обязательно расположены близко друг к другу, поскольку взаимодействие происходит на больших расстояниях, а расстояние между спаренными электронами может составлять сотни нанометров. Это расстояние обычно больше, чем среднее расстояние между электронами, поэтому многие куперы. пары могут занимать одно и то же пространство.
Электроны имеют спин 1/2, поэтому они являются фермионами; однако общий спин куперовской пары является целым числом (0 или 1), что означает, что это комбинаторный бозон, что делает его волновую функцию обмена симметричной.
Это означает, что в отличие от электронов многие куперовские пары могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, что и является основной причиной сверхпроводимости. Теория БКШ также применима к другим фермионным системам, таким как гелий-3. Фактически, спаривание Купера также способствовало сверхтекучести гелия-3 при низких температурах.
В 2008 году ученые предположили, что пары бозонов в оптических решетках могут быть похожи на пары Купера. Эта новая точка зрения открыла новые направления исследований.
Взаимосвязь между куперовскими парами и сверхпроводимостью
Склонность всех куперовских пар «конденсироваться» в одно и то же основное состояние объекта является источником странных свойств сверхпроводимости. Первоначально Купер рассматривал только образование изолированных пар, но когда были исследованы более реалистичные состояния многоэлектронного спаривания, как иллюстрирует теория БКШ, спаривание открывает энергетическую щель в континууме допустимых энергетических состояний для электронов, что означает, что все возбуждения системы должна иметь некоторую минимальную энергию.
Эта энергетическая щель возбуждения обеспечивает сверхпроводимость, поскольку малые возбуждения, такие как рассеяние электронов, запрещены.
Энергетическая щель возникает из-за эффекта многих тел, вызванного предполагаемым притяжением между электронами. Р.А. Огг-младший первым предположил, что электроны могут действовать как пары, связанные колебаниями решетки материала, - теория, также подтвержденная изотопными эффектами в сверхпроводниках. Этот эффект показывает, что материалы с тяжелыми ионами (разные ядерные изотопы) будут иметь более низкие температуры сверхпроводящего перехода, что можно объяснить теорией спаривания Купера: тяжелым ионам труднее притягивать и перемещать электроны, что приводит к уменьшению энергии связывания пар.
Теория куперовских пар достаточно общая и не опирается на конкретные электрон-фононные взаимодействия. В настоящее время физики конденсированного состояния предложили механизмы спаривания, основанные на других притягивающих взаимодействиях, таких как электрон-экситонные взаимодействия или электрон-плазменные взаимодействия, но эти спаривающие взаимодействия до сих пор не наблюдались ни в одном материале.
Стоит отметить, что куперовское спаривание не предполагает спаривания отдельных электронов с образованием «квазибозонов». Вместо этого парные состояния энергетически оптимизированы, и электроны имеют тенденцию перемещаться в эти состояния и выходить из них. Джон Бадерен подчеркнул:
«Хотя концепция спаренных электронов не совсем точна, она отражает суть этого явления».
С углублением исследований куперовских пар в будущем могут произойти новые открытия, которые повлияют на наше понимание сверхпроводящих явлений. Какие условия могут наиболее эффективно способствовать образованию куперовских пар?
