쿠퍼 쌍

Cooper pair

응축물리학에서 쿠퍼 쌍 또는 BCS 쌍(Barden-Cooper-Schrieffer 쌍)은 미국의 물리학자 리언 쿠퍼가 1956년에 처음 설명한 특정 방식으로 저온에서 결합한 전자(또는 다른 페르미온) 쌍이다.[1]

쿠퍼 쌍

쿠퍼는 금속에서 전자들 사이의 임의로 작은 끌어당김이 쌍으로 된 전자의 상태를 페르미 에너지보다 낮은 에너지를 갖게 할 수 있다는 것을 보여주었는데, 이는 쌍이 결합되어 있음을 암시한다. 기존의 초전도체에서 이러한 매력은 전자와 포논의 상호작용에 기인한다. 1972년 노벨상을 공동 수상했던 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 슈리퍼에 의해 개발된 BCS 이론에서 설명한 것처럼 쿠퍼 부부 국가는 초전도성을 책임진다.[2]

쿠퍼 페어링은 양자효과지만 페어링의 이유는 단순화된 고전적 설명에서 알 수 있다.[2][3] 금속의 전자는 보통 자유 입자로 작용한다. 이 전자는 음전하 때문에 다른 전자로부터 밀어내지만, 금속의 단단한 격자를 구성하는 양의 이온도 끌어들인다. 이 매력은 이온 격자를 왜곡하여 이온을 전자 쪽으로 약간 이동시켜 부근에 있는 격자의 양전하 밀도를 증가시킨다. 이 양전하는 다른 전자를 끌어당길 수 있다. 먼 거리에서는 이온의 이탈로 인한 전자 사이의 이 흡인력은 전자의 음전하로 인한 반발력을 이겨내고 쌍을 이루게 할 수 있다. 엄밀한 양자역학적 설명은 그 영향이 전자와 포논의 상호작용에 기인한다는 것을 보여주는데, 음핵은 양전하를 띤 격자의 집단운동이다.[4]

페어링 상호작용의 에너지는 10−3 eV의 순서로 상당히 약하며 열 에너지는 페어링을 쉽게 파괴할 수 있다. 그래서 낮은 온도에서, 금속과 다른 기판에서, 쿠퍼 쌍으로 묶인 전자의 상당한 수가 된다.

한 쌍의 전자는 반드시 서로 가까이 있는 것은 아니다; 상호작용은 긴 범위이기 때문에, 쌍의 전자는 여전히 수백 나노미터의 차이가 날 수 있다. 이 거리는 보통 평균 정수 거리보다 커서 많은 쿠퍼 쌍이 같은 공간을 차지할 수 있다.[5] 전자는 스핀 ½을 가지고 있어 페르미온이지만 쿠퍼 쌍의 총 스핀은 정수(0 또는 1)이므로 복합 보손이다. 이것은 파동 함수가 입자 교환 하에서 대칭이라는 것을 의미한다. 따라서 전자와 달리 다수의 쿠퍼 쌍이 동일한 양자 상태에 있을 수 있게 되어 초전도현상의 원인이 된다.

BCS 이론은 헬륨-3와 같은 다른 페르미온 시스템에도 적용된다. 실제로 쿠퍼 페어링은 저온에서 헬륨-3의 초유동성을 담당한다. 쿠퍼 한 쌍이 두 개의 보손으로 구성될 수 있다는 것도 최근에 증명되었다.[6] 여기서, 쌍은 광학 격자의 끼임으로 지지된다.

초전도성과 관계

한 몸 안에 있는 모든 쿠퍼 쌍이 같은 지상 양자 상태로 "응축"되는 경향은 초전도성의 독특한 성질을 책임진다.

쿠퍼는 원래 금속으로 분리된 쌍이 형성되는 경우만을 고려했다. 완전한 BCS 이론에서 설명되었듯이, 많은 전자 쌍 형성의 보다 현실적인 상태를 고려할 때, 쌍이 전자에서 허용되는 에너지 상태의 연속 스펙트럼의 간격을 열어준다는 것을 알게 된다. 즉, 시스템의 모든 배설물은 어떤 최소의 에너지를 소유해야 한다는 뜻이다. 전자의 산란과 같은 작은 배설은 금지되어 있기 때문에, 이러한 배설 간극은 초전도성으로 이어진다.[7] 그 간격은 끌림을 느끼는 전자들 사이의 많은 신체 효과 때문에 나타난다.

R. A. Ogg Jr.는 먼저 전자가 물질의 격자 진동에 의해 쌍으로 작용한다고 제안했다.[8][9] 이는 초전도체에서 관측된 동위원소 효과로 나타났다. 동위원소 효과는 더 무거운 이온(다른 핵 동위원소)을 가진 물질이 초전도 전환 온도가 더 낮다는 것을 보여주었다. 이것은 쿠퍼 페어링 이론으로 설명될 수 있다: 무거운 이온은 전자가 끌어당기고 움직이기 더 어렵다(쿠퍼 페어가 형성되는 방법). 이는 결과적으로 짝을 위한 결합 에너지가 더 작아지게 된다.

쿠퍼 쌍의 이론은 상당히 일반적이며 특정 전자-폰 상호작용에 의존하지 않는다. 응축물질 이론가들은 전자-엑시톤 상호작용이나 전자-플라스몬 상호작용과 같은 다른 매력적인 상호작용에 기초한 결합 메커니즘을 제안했다. 현재 이러한 다른 쌍체 상호작용은 어떤 물질에서도 관찰되지 않았다.

양전자로부터 쿠퍼 쌍을 만드는 실험은 전자 쌍의 형성을 이해하는 데 큰 기여를 할 것이다.

쿠퍼 페어링은 "Quasi-bosons"를 형성하기 위해 개별 전자를 페어링하지 않는다는 점을 언급해야 한다. 쌍체 상태는 정력적으로 선호되며, 전자는 그 상태를 우선으로 드나들게 된다. 이것은 존 바딘이 다음과 같이 미세하게 구별하는 것이다.

"완전히 정확하지는 않지만 쌍체 전자의 사상은 그 감각을 포착하고 있다."[10]

여기에 관련된 2차 공정에 대한 수학적 설명은 양씨가 제시한다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ Cooper, Leon N. (1956). "Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas". Physical Review. 104 (4): 1189–1190. Bibcode:1956PhRv..104.1189C. doi:10.1103/PhysRev.104.1189.
  2. ^ a b Nave, Carl R. (2006). "Cooper Pairs". Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Retrieved 2008-07-24.
  3. ^ Kadin, Alan M. (2005). "Spatial Structure of the Cooper Pair". Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 20 (4): 285–292. arXiv:cond-mat/0510279. doi:10.1007/s10948-006-0198-z.
  4. ^ Fujita, Shigeji; Ito, Kei; Godoy, Salvador (2009). Quantum Theory of Conducting Matter. Springer Publishing. pp. 15–27. ISBN 978-0-387-88211-6.
  5. ^ Feynman, Richard P.; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1965). Lectures on Physics, Vol.3. Addison–Wesley. pp. 21–7, 8. ISBN 0-201-02118-8.
  6. ^ "Cooper Pairs of Bosons". Archived from the original on 2015-12-09. Retrieved 2009-09-01.
  7. ^ Nave, Carl R. (2006). "The BCS Theory of Superconductivity". Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Retrieved 2008-07-24.
  8. ^ Ogg, Richard A. (1 February 1946). "Bose-Einstein Condensation of Trapped Electron Pairs. Phase Separation and Superconductivity of Metal-Ammonia Solutions". Physical Review. American Physical Society (APS). 69 (5–6): 243–244. doi:10.1103/physrev.69.243. ISSN 0031-899X.
  9. ^ Poole Jr. Charles P, "응축 물질 물리학의 관용 사전" (Acadical Press, 2004), 페이지 576
  10. ^ Bardeen, John (1973). "Electron-Phonon Interactions and Superconductivity". In H. Haken and M. Wagner (ed.). Cooperative Phenomena. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. p. 67. doi:10.1007/978-3-642-86003-4_6. ISBN 978-3-642-86005-8. [1]
  11. ^ Yang, C. N. (1 September 1962). "Concept of Off-Diagonal Long-Range Order and the Quantum Phases of Liquid He and of Superconductors". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 34 (4): 694–704. Bibcode:1962RvMP...34..694Y. doi:10.1103/revmodphys.34.694. ISSN 0034-6861.

추가 읽기

  • Michael Tinkham, ISBN 0-486-43503-2 소개
  • 슈미트, 바딤 바실레비치 초전도체 물리학: 기본 원리 및 응용 프로그램 소개 Springer Science & Business Media, 2013.