Language
Country/Area
No result found
Tại sao cặp Cooper lại phá vỡ các định luật vật lý? Khám phá cách cặp electron tạo ra dòng chảy không có điện trở!
Trong vật lý vật chất ngưng tụ, cặp Cooper là cặp hạt liên kết với nhau bởi electron (hoặc các fermion khác) ở nhiệt độ thấp. Hiện tượng này lần đầu tiên được nhà vật lý người Mỹ Leon Cooper mô tả vào năm 1956. Công trình của Cooper cho thấy ngay cả những lực hấp dẫn nhỏ cũng có thể khiến các cặp electron liên kết với nhau và tổng năng lượng của chúng sẽ thấp hơn năng lượng Fermi, điều này cho thấy cặp electron này là ổn định. Trong các siêu dẫn thông thường, lực hấp dẫn này chủ yếu đến từ tương tác electron-phonon.
"Cặp Cooper là cốt lõi của siêu dẫn và chính trạng thái này giúp vật liệu có khả năng dẫn dòng điện mà không có điện trở."
Mặc dù hành vi của cặp Cooper là một hiệu ứng lượng tử, chúng ta có thể hiểu được nguyên nhân của nó thông qua lời giải thích cổ điển được đơn giản hóa. Trong kim loại, electron thường được coi là hạt tự do. Trong điều kiện bình thường, các electron đẩy nhau vì chúng mang điện tích âm, nhưng đồng thời chúng cũng thu hút các ion dương tạo nên mạng tinh thể cứng của kim loại. Sự hấp dẫn này làm biến dạng mạng lưới ion, khiến các ion di chuyển nhẹ về phía electron, làm tăng mật độ điện tích dương ở khu vực đó. Điện tích dương này thu hút các electron khác. Ở khoảng cách xa, lực hấp dẫn do sự lệch hướng của các ion có thể thắng được lực đẩy giữa các electron, khiến chúng ghép đôi với nhau.
"Năng lượng tương tác của cặp này khá yếu, khoảng 10-3 eV."
Tất nhiên, sự ghép cặp electron này chỉ xảy ra đáng kể ở kim loại hoặc các chất nền khác ở nhiệt độ thấp. Trong cặp Cooper, mặc dù tương tác của các electron có thể ở xa nhau nhưng điều này không có nghĩa là chúng phải ở rất gần nhau. Các cặp electron vẫn có thể cách nhau hàng trăm nanomet, một khoảng cách thường lớn hơn khoảng cách electron trung bình, do đó nhiều cặp Cooper có thể chiếm cùng một không gian. Điều đáng chú ý là electron là fermion spin-1/2, trong khi các cặp Cooper có tổng spin là số nguyên (0 hoặc 1), khiến chúng trở thành boson tổng hợp, nghĩa là hàm sóng của chúng là Các hạt đối xứng khi chúng hoán đổi cho nhau.
Do đó, sự tồn tại của các cặp Cooper khiến cho có thể có nhiều cặp Cooper ở cùng một trạng thái lượng tử, đây chính là chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn. Ngoài siêu dẫn, lý thuyết BCS cũng có thể được áp dụng cho các hệ fermion khác, chẳng hạn như heli-3 siêu lỏng. Trên thực tế, sự ghép cặp Cooper cũng khiến heli-3 trở nên siêu lỏng ở nhiệt độ thấp. Năm 2008, các nhà khoa học đề xuất khái niệm rằng các cặp boson trong mạng quang học có thể tương tự như các cặp Cooper.
"Sự hình thành các cặp Cooper liên quan đến hiệu ứng khuếch đại kết hợp với các dao động mạng."
Xu hướng "ngưng tụ" của tất cả các cặp Cooper trong một hệ thống thành cùng một trạng thái cơ bản là lý do cơ bản tạo nên tính chất siêu dẫn. Cooper ban đầu chỉ xem xét sự hình thành các cặp electron đơn lẻ trong kim loại. Nhưng trong một kịch bản thực tế hơn, khi xem xét sự hình thành của nhiều cặp electron, người ta thấy rằng sự ghép đôi này mở ra một khoảng cách năng lượng trong chuỗi liên tục các trạng thái năng lượng được phép cho các electron, điều đó có nghĩa là tất cả các kích thích của hệ thống phải có một lượng nhất định. của năng lượng. Khoảng cách kích thích này dẫn đến siêu dẫn vì các kích thích nhỏ, chẳng hạn như sự tán xạ của electron, bị cấm. Khoảng cách này xuất hiện do lực hấp dẫn giữa các electron và hiệu ứng nhiều vật.
R. A. Ogg Jr. là người đầu tiên đề xuất rằng các electron có thể ghép nối theo cặp thông qua dao động mạng tinh thể trong vật liệu. Điều này được chứng minh bằng 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 (đồng vị hạt nhân khác nhau) có nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn thấp hơn. Điều này có thể được giải thích bằng thuyết ghép cặp Cooper: các ion nặng hơn tạo ra nhiều khó khăn hơn cho việc thu hút và chuyển động của các electron, dẫn đến năng lượng liên kết ghép cặp nhỏ hơn.
"Thuyết ghép cặp Cooper khá tổng quát và không phụ thuộc vào tương tác electron-phonon cụ thể."
Các nhà vật lý 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-plasmon, nhưng những tương tác ghép cặp khác này vẫn chưa được quan sát thấy trong bất kỳ vật liệu nào. Điều đáng nói là sự ghép cặp Cooper không liên quan đến sự ghép cặp của các electron riêng lẻ để tạo thành "boson bán phần". Các trạng thái ghép đôi được ưu tiên về mặt năng lượng và các electron sẽ ưu tiên đi vào và thoát khỏi các trạng thái này. Đây là sự phân biệt tinh tế mà John Bardeen nhấn mạnh: "Mặc dù đây không phải là mô tả chính xác về mặt kỹ thuật về khái niệm ghép cặp electron, nhưng nó vẫn nắm bắt được bản chất của khái niệm này."
Hiểu sâu hơn về hệ thống này không chỉ thay đổi hiểu biết của chúng ta về vật lý vật liệu mà còn mở ra khả năng vô hạn cho những tiến bộ công nghệ trong tương lai. Liệu con người có thể khám phá ra hiện tượng siêu dẫn tương tự ở phạm vi nhiệt độ cao hơn, có thể thay đổi tương lai năng lượng của chúng ta không?
