Language
Country/Area
No result found
Cặp Cooper và tính siêu lỏng: phép thuật lượng tử đằng sau hiện tượng siêu lỏng heli-3!
Trong vật lý vật chất ngưng tụ, cặp Cooper là cặp được hình thành bởi hai electron (hoặc các fermion khác) kết hợp theo một cách cụ thể trong điều kiện nhiệt độ thấp. Hiện tượng này lần đầu tiên được nhà vật lý người Mỹ Leon Cooper mô tả vào năm 1956. Cooper đã chứng minh rằng ngay cả lực hấp dẫn yếu cũng có thể khiến các electron hình thành trạng thái ghép đôi có năng lượng thấp hơn năng lượng Fermi. Điều này có nghĩa là các cặp được hình thành tồn tại là do sự tương tác mạnh mẽ này.
Trong các siêu dẫn thông thường, lực hấp dẫn này chủ yếu phát sinh từ tương tác electron-phonon.
Cặp Cooper là nền tảng của siêu dẫn, một lý thuyết được phát triển bởi John Bardeen, Leon Cooper và John Schrieffer, nhờ đó họ đã cùng chia sẻ giải Nobel năm 1972. Mặc dù cặp Cooper là một hiệu ứng lượng tử, nguyên nhân của sự ghép đôi này có thể được hiểu bằng cách sử dụng lời giải thích cổ điển đơn giản hóa.
Trong kim loại, các electron thường chuyển động như các hạt tự do. Các điện tích âm của electron đẩy nhau, nhưng đồng thời chúng cũng thu hút các cation tạo nên mạng lưới kim loại. Sự hấp dẫn này gây ra sự biến dạng của mạng lưới cation, di chuyển các cation gần hơn một chút với các electron và do đó làm tăng mật độ điện tích dương gần đó. Điện tích dương như vậy có thể thu hút các electron khác. Trên những khoảng cách xa, lực hấp dẫn do các cation bị dịch chuyển này sẽ lấn át lực đẩy giữa các electron, khiến chúng ghép đôi với nhau.
Năng lượng của tương tác ghép đôi rất yếu, vào khoảng 10-3 eV, do đó năng lượng nhiệt có thể dễ dàng phá hủy các cặp này.
Vì vậy, chỉ ở nhiệt độ thấp, trong kim loại và các chất nền khác, các electron mới tồn tại với số lượng đáng kể dưới dạng cặp Cooper. Điều quan trọng cần lưu ý là các cặp electron không nhất thiết phải ở rất gần nhau. Vì tương tác là tầm xa, các cặp electron vẫn có thể cách nhau hàng trăm nanomet, thường lớn hơn khoảng cách trung bình giữa các electron, do đó nhiều cặp Cooper có thể chiếm cùng một không gian.
Electron có spin là 1/2 nên chúng là fermion, nhưng cặp Cooper có spin tổng là số nguyên (0 hoặc 1) nên chúng là boson hợp thành. Điều này có nghĩa là khi trao đổi hạt, hàm sóng của cặp Cooper là đối xứng. Do đó, không giống như electron, nhiều cặp Cooper có thể cùng tồn tại trong cùng một trạng thái lượng tử, đây là lý do cơ bản cho hiện tượng siêu dẫn.
Thuyết BCS cũng áp dụng cho các hệ fermion khác, chẳng hạn như heli-3. Trên thực tế, sự ghép cặp Cooper chính là yếu tố khiến heli-3 trở nên siêu lỏng ở nhiệt độ thấp. Khi khoa học tiến bộ, nhiều nhà vật lý cũng đề xuất rằng các cặp boson trong mạng quang học có thể tương tự như các cặp Cooper.
Mối quan hệ giữa cặp Cooper và siêu dẫn
Xu hướng tất cả các cặp Cooper ngưng tụ thành cùng một trạng thái lượng tử cơ bản là nguồn gốc của các tính chất kỳ lạ của siêu dẫn. Cooper ban đầu chỉ xem xét sự hình thành các cặp đơn độc trong kim loại, nhưng trong trường hợp thực tế hơn về sự hình thành cặp đa electron, lý thuyết BCS đầy đủ cho thấy rằng sự ghép đôi mở ra một khoảng trống trong chuỗi liên tục các trạng thái năng lượng điện tử được phép, nghĩa là tất cả các trạng thái kích thích phải có một số năng lượng tối thiểu.
Khoảng cách năng lượng của sự kích thích này khiến cho những sự kích thích nhỏ, chẳng hạn như sự tán xạ electron, trở nên không thể thực hiện được.
Khoảng cách năng lượng này xuất hiện do hiệu ứng nhiều vật thể gây ra bởi lực hút lẫn nhau giữa các electron. R.A. Ogg Jr. là người đầu tiên đề xuất rằng các electron có thể ghép đôi thông qua dao động mạng tinh thể, một ý tưởng được phản ánh trong hiệu ứng đồng vị được quan sát thấy trong các chất siêu dẫn. Hiệu ứng đồng vị cho thấy vật liệu có cation nặng hơn có nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn thấp hơn, điều này có thể được giải thích bằng thuyết ghép cặp Cooper: cation nặng khó thu hút và di chuyển electron hơn, dẫn đến năng lượng ghép cặp nhỏ hơn.
Thuyết ghép cặp Cooper khá tổng quát và không dựa trên các tương tác electron-phonon cụ thể. Các nhà vật lý vật chất ngưng tụ đã đề xuất các cơ chế ghép đôi dựa trên các tương tác hấp dẫn khác, chẳng hạn như tương tác electron-exciton hoặc tương tác electron-plasmon, nhưng cho đến nay vẫn chưa quan sát thấy ví dụ nào về các tương tác ghép đôi khác này trong bất kỳ vật liệu nào.
Cần đề cập rằng cặp Cooper không phải là cặp các electron đơn lẻ để tạo thành "boson bán phần", mà là trạng thái ghép có nhiều ưu điểm hơn và mức độ ưu tiên của các electron đi vào và thoát khỏi các trạng thái này.
Điều này đặc biệt rõ ràng trong sự phân biệt của John Bardeen, được đưa ra bởi Young, người đã lưu ý rằng "khái niệm về các electron ghép đôi, mặc dù không hoàn toàn chính xác, nhưng đã nắm bắt được bản chất của hiện tượng này".
Việc phát hiện ra cặp Cooper không chỉ đặt nền tảng cho tính siêu dẫn mà còn mở ra một cánh cửa sổ lượng tử bí ẩn để chúng ta hiểu được tính siêu lỏng của heli-3. Vật lý lượng tử sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về tính chất của vật liệu trong tương lai như thế nào?
