Language
Country/Area
No result found
Почему пары Купера нарушают законы физики? Узнайте, как электронное спаривание создает поток без сопротивления!
В физике конденсированного состояния куперовские пары — это пары частиц, связанных вместе электронами (или другими фермионами) при низких температурах. Это явление впервые описал американский физик Леон Купер еще в 1956 году. Работа Купера показала, что даже небольшие силы притяжения могут заставить электронные пары связываться вместе, и их общая энергия будет ниже энергии Ферми, что позволяет предположить, что пара стабильна. В обычных сверхпроводниках это притяжение обусловлено в основном электрон-фононным взаимодействием.
«Куперовские пары лежат в основе сверхпроводимости, и именно это состояние дает материалам возможность проводить электрический ток без сопротивления».
Хотя поведение куперовских пар представляет собой квантовый эффект, мы можем понять его причину с помощью упрощенного классического объяснения. В металлах электроны обычно рассматриваются как свободные частицы. В обычных условиях электроны отталкиваются друг от друга из-за своего отрицательного заряда, но в то же время они притягивают положительные ионы, которые образуют жесткую решетку металла. Это притяжение искажает ионную решетку, заставляя ионы слегка перемещаться по направлению к электронам, увеличивая плотность положительного заряда в этой области. Этот положительный заряд притягивает другие электроны. На больших расстояниях сила притяжения, вызванная отклонением ионов, может преодолеть отталкивание между электронами, заставляя их объединяться в пары.
«Энергия взаимодействия этой пары довольно слаба, около 10-3 эВ».
Разумеется, такое спаривание электронов происходит в значительных количествах только в металлах или других субстратах при низких температурах. В куперовских парах, хотя взаимодействие электронов может быть отдаленным, это не означает, что они должны находиться очень близко друг к другу. Спаренные электроны могут по-прежнему находиться на расстоянии в сотни нанометров друг от друга, что обычно больше среднего расстояния между электронами, поэтому несколько куперовских пар могут занимать одно и то же пространство. Стоит отметить, что электрон является фермионом со спином 1/2, в то время как куперовские пары имеют целый полный спин (0 или 1), что делает их составными бозонами, а это означает, что их волновая функция равна Частицы симметричны, когда они поменялись местами.
Таким образом, существование куперовских пар делает возможным наличие нескольких куперовских пар в одном и том же квантовом состоянии, что является ключом к явлению сверхпроводимости. Помимо сверхпроводников, теория БКШ может быть применена и к другим фермионным системам, таким как сверхтекучий гелий-3. Фактически, куперовское спаривание также делает гелий-3 сверхтекучим при низких температурах. В 2008 году ученые выдвинули концепцию, согласно которой пары бозонов в оптических решетках могут быть похожи на пары Купера.
«Образование куперовских пар включает эффект усиления, связанный с колебаниями решетки».
Тенденция всех куперовских пар в системе «конденсироваться» в одно и то же основное состояние является фундаментальной причиной свойства сверхпроводимости. Первоначально Купер рассматривал только образование неподеленных электронных пар в металлах. Но в более реалистичном сценарии, когда рассматривается образование нескольких электронных пар, обнаруживается, что это спаривание открывает энергетическую щель в континууме разрешенных энергетических состояний для электронов, что означает, что все возбуждения системы должны иметь определенное количество энергии. Этот разрыв возбуждения приводит к сверхпроводимости, поскольку малые возбуждения, такие как рассеяние электронов, запрещены. Этот зазор возникает в результате сил притяжения, действующих между электронами, и эффекта многих тел.
Р. А. Огг-младший впервые предположил, что электроны могут объединяться в пары посредством колебаний решетки в материале. Об этом свидетельствует изотопный эффект, наблюдаемый в сверхпроводниках. Этот эффект показывает, что материалы с более тяжелыми ионами (различными ядерными изотопами) имеют более низкие температуры сверхпроводящего перехода. Это можно объяснить теорией спаривания Купера: более тяжелые ионы создают большие трудности для притяжения и движения электронов, что приводит к меньшей энергии связи спаривания.
«Теория спаривания Купера является достаточно общей и не зависит от конкретного электрон-фононного взаимодействия».
Физики, изучающие конденсированное состояние, предложили механизмы спаривания, основанные на других притягивающих взаимодействиях, таких как электрон-экситонное взаимодействие или электрон-плазмонное взаимодействие, но эти другие парные взаимодействия пока не наблюдались ни в одном материале. Стоит отметить, что спаривание Купера не подразумевает спаривания отдельных электронов с образованием «квазибозонов». Спаренные состояния энергетически предпочтительны, и электроны будут преимущественно входить и выходить из этих состояний. Это тонкое различие, которое подчеркнул Джон Бардин: «Хотя это и не является технически точным описанием концепции электронного спаривания, оно все же отражает ее суть».
Более глубокое понимание этой системы не только меняет наше понимание физики материалов, но и открывает неограниченные возможности для будущих технологических достижений. Смогут ли люди открыть то же явление сверхпроводимости в более высоком диапазоне температур, возможно, изменив будущее нашей энергетики?
