Language
Country/Area
No result found
Điều kỳ diệu của sự ghép đôi điện tử: Tại sao các điểm thu hút nhỏ có thể gây ra hiện tượng siêu dẫn?
Trong lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ, cặp Cooper hay cặp BCS (cặp Bardeen-Cooper-Schriver) là một cặp electron kết hợp theo một cách cụ thể ở nhiệt độ thấp. Khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý người Mỹ Leon Cooper vào năm 1956. Cooper đã chỉ ra rằng ngay cả khi chỉ có lực hút yếu, các electron bên trong kim loại có thể tạo thành trạng thái cặp đôi có năng lượng thấp hơn năng lượng Fermi, cho thấy cặp đôi này liên kết với nhau. Trong các chất siêu dẫn truyền thống, lực hút này phát sinh từ sự tương tác giữa các electron và phonon.
Trạng thái của các cặp Cooper là nguồn gốc của hiện tượng siêu dẫn, như được mô tả trong lý thuyết BCS do John Bardeen, Leon Cooper và John Shriver đề xuất. Do đó, ba nhà khoa học cùng nhận giải Nobel năm 1972.
Mặc dù việc ghép cặp Cooper là một hiệu ứng lượng tử, nhưng khái niệm cơ bản về cơ chế ghép cặp của nó có thể được giải thích bằng cách giải thích cổ điển đơn giản hóa. Thông thường, các electron bên trong kim loại dường như chuyển động tự do, nhưng bị đẩy bởi các điện tích âm giữa chúng; tuy nhiên, chúng cũng hút các ion dương tạo nên mạng tinh thể của kim loại. Lực hút này sẽ làm biến dạng các ion trong mạng tinh thể, từ đó làm tăng mật độ điện tích dương ở khu vực gần các electron, từ đó thu hút các electron khác. Ở khoảng cách lớn hơn, lực hút giữa các electron do các ion dịch chuyển này có khả năng khắc phục lực đẩy giữa các electron, khiến chúng kết đôi với nhau.
Giải thích sâu sắc về cơ học lượng tử cho thấy hiệu ứng này phát sinh từ sự tương tác giữa các electron và phonon, là sự chuyển động tập thể của các điện tích dương trong mạng tinh thể. Năng lượng của các tương tác ghép đôi khá nhỏ, vào khoảng 0,001 eV nên nhiệt năng có thể dễ dàng phá vỡ các cặp này. Đây là lý do tại sao trong kim loại hoặc các chất nền khác, cặp Cooper chỉ có thể được hình thành khi có nhiều electron hơn ở nhiệt độ thấp.
Các electron ghép đôi không nhất thiết phải ở gần nhau, vì sự tương tác này có tầm xa. Các electron ghép đôi có thể cách nhau hàng trăm nanomet và khoảng cách này thường lớn hơn khoảng cách electron trung bình, điều này cho phép nhiều cặp Cooper có thể tiếp cận. chiếm cùng một không gian.
Các electron có spin 1/2 nên chúng là fermion, nhưng các cặp Cooper có spin nguyên (0 hoặc 1), nên chúng tạo thành các boson tổng hợp. Điều này có nghĩa là hàm sóng của chúng đối xứng khi trao đổi hạt. Do đó, không giống như electron, nhiều cặp Cooper có thể ở cùng trạng thái lượng tử, đây là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng siêu dẫn.
Lý thuyết BCS cũng có thể áp dụng cho các hệ fermion khác, chẳng hạn như tính siêu chảy của ^3He. Sự ghép cặp Cooper cũng được coi là lý do tại sao ^3Anh ấy siêu lỏng ở nhiệt độ thấp. Hơn nữa, vào năm 2008, người ta cho rằng các cặp boson trong mạng quang học có thể giống với các cặp Cooper. Điều này cho thấy các cặp Cooper không bị giới hạn ở tương tác giữa các electron mà còn có thể mở rộng sang các hệ hạt khác.
Sự hình thành các cặp Cooper làm cho tất cả các cặp Cooper "ngưng tụ" về cùng một trạng thái cơ bản bên trong vật liệu, đây là một đặc tính đặc biệt được thể hiện bởi tính siêu dẫn.
Cooper ban đầu chỉ xem xét sự hình thành các cặp cô lập trong kim loại, sau đó khám phá sự hình thành thực tế hơn của nhiều cặp trong lý thuyết BCS và phát hiện ra rằng việc ghép đôi tạo ra khoảng cách năng lượng trong phổ liên tục của các trạng thái năng lượng cho phép của các electron. mọi kích thích của hệ thống cần phải có một mức năng lượng tối thiểu nhất định. Khe năng lượng này đối với các kích thích dẫn đến hiện tượng siêu dẫn vì các kích thích nhỏ như tán xạ electron đều bị cấm. Khoảng cách năng lượng này xuất phát từ hiệu ứng nhiều vật gây ra bởi lực hút lẫn nhau giữa các electron.
R.A. Ogg Jr. lần đầu tiên đề xuất rằng các electron có thể hoạt động như các cặp được ghép đôi bởi các dao động mạng, một khái niệm được hỗ trợ bởi các hiệu ứng đồng vị được quan sát thấy trong các chất siêu dẫn. Hiệu ứng này cho thấy các vật liệu có ion nặng hơn (các đồng vị hạt nhân khác nhau) có nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn thấp hơn, điều này có thể được giải thích bằng lý thuyết ghép cặp Cooper: các ion nặng hơn có khả năng hút và di chuyển electron yếu hơn, dẫn đến năng lượng liên kết của bên phải cặp nhỏ hơn.
Mặc dù các lý thuyết hiện tại không dựa vào các tương tác electron-phonon cụ thể, nhưng các nhà lý thuyết vật chất ngưng tụ đã đề xuất các cơ chế ghép cặp dựa trên các tương tác hấp dẫn khác, chẳng hạn như tương tác electron-exciton hoặc tương tác electron-plasma. Cho đến nay, những tương tác ghép cặp khác này vẫn chưa được quan sát thấy trong bất kỳ tài liệu nào.
Điều đáng chú ý là việc ghép đôi Cooper không liên quan đến việc ghép cặp từng electron riêng lẻ để tạo thành "gần như boson". Trạng thái ghép đôi của nó là trạng thái điện tử chiếm ưu thế về mặt năng lượng và các electron sẽ ưu tiên di chuyển vào và ra khỏi các trạng thái này.
Là cốt lõi của lý thuyết ghép đôi của Cooper, sự gắn kết bậc hai liên quan đến mô tả toán học đã được Yang đề xuất. Với sự đóng góp tiềm tàng của hiện tượng siêu dẫn cho sự phát triển của khoa học công nghệ, nghiên cứu trong tương lai sẽ soi sáng con đường tìm hiểu hiện tượng siêu dẫn và sự hình thành các cặp Cooper như thế nào?
