Teoría BCS

A teoría BCS foi proposta por John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer e explica o fenómeno da supercondutividade.^[1] Independentemente e ao mesmo tempo, este fenómeno foi explicado por Nikolay Bogoliubov a través das chamadas transformacións de Bogoliubov.^[2][3]

Afirma principalmente que os electróns dun material cando están en estado superconductor se agrupan en pares chamados pares de Cooper. Os pares de Cooper son electróns condensados en estados de menor enerxía. Esta formación de pares de Cooper depende da microestrutura do material e da forma da rede cristalina, xa que este par de electróns móvese de forma acoplada á rede.

En moitos supercondutores, a interacción atractiva entre electróns (necesariamente en pares) é dirixida de forma groseira e indirecta pola interacción entre os electróns e a estrutura cristalina vibrante (os fonóns).

Un electrón que se move a través dun condutor atraerá cargas positivas próximas na estrutura. Esta deformación da estrutura fai que outro electrón, con "spin" oposto, se mova á rexión dunha densidade de carga positiva máis alta. Os dous electróns mantéñense entón xuntos con algo de enerxía de unión. Se esta enerxía de unión é maior que a enerxía proporcionada polos impulsos das oscilacións dos átomos do condutor (o cal é certo a baixas temperaturas), entón os pares de electróns mantéñense unidos e resisten os impulsos, sen experimentar resistencia.

A teoría BCS foi desenvolvida en 1957 por John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer e recibiron o Premio Nobel de Física en 1972 por esta teoría.

En 1986, descubriuse a "supercondutividade a alta temperatura" ( é dicir, a supercondutividade a temperaturas considerablemente superiores ao límite anterior de aproximadamente 30 K; por riba de aproximadamente 130 K). Crese que a estas temperaturas están en xogo outros efectos; Estes efectos aínda non se entenden completamente, e é posíbel que estes efectos descoñecidos controlen igualmente a supercondutividade mesmo a baixas temperaturas para algúns materiais.

A teoría BCS parte da suposición de que existe algunha atracción entre os electróns, que pode superar a repulsión coulombiana. Na maioría dos materiais (en supercondutores de baixa temperatura), esta atracción é impulsada aproximadamente indirectamente polo acoplamento de electróns á estrutura cristalina, como se explicou anteriormente. Con todo, os resultados da teoría BCS non dependen da orixe da interacción atractiva.

Os resultados orixinais de BCS, discutidos a continuación, describen un estado supercondutor de onda s, que é a regra entre os supercondutores de baixa temperatura pero non se realiza en moitos "supercondutores non convencionais" como os supercondutores de "onda d" de alta temperatura. Existen extensións da teoría BCS para describir estes outros casos, aínda que son insuficientes para describir completamente as características observadas da supercondutividade a alta temperatura.

BCS é capaz de dar unha aproximación ao estado mecánico cuántico do sistema de electróns (que interatúan de forma atractiva) dentro do metal. Este estado coñécese agora como "estado BCS". No estado normal dun metal, os electróns móvense independentemente, mentres que no estado BCS, están ligados en "pares de Cooper" mediante interaccións atractivas.

BCS obtivo varias predicións teóricas importantes que son independentes dos detalles da interacción, xa que as predicións cuantitativas mencionadas a continuación valen para toda atracción suficientemente débil entre electróns e esta última condición cúmprese para moitos supercondutores de baixa temperatura -o chamado "exemplo débil". -acoplamento". Estes foron confirmados en numerosos experimentos:

• Dado que os electróns están unidos en pares de Cooper, é necesaria unha cantidade finita de enerxía para separalos en dous electróns independentes. Isto significa que hai "unha xanela de enerxía" para a "excitación dunha soa partícula", a diferenza do metal normal (onde o estado dun electrón pode cambiarse engadindo arbitrariamente unha pequena cantidade de enerxía). Esta brecha de enerxía é maior a baixa temperatura pero desaparece na temperatura de transición cando a supercondutividade deixa de existir. A teoría BCS predí correctamente a variación desta abertura coa temperatura. Así mesmo, dá unha expresión que mostra como a abertura crece coa forza da interacción atractiva e a densidade de estados de partícula única (fase normal) na enerxía de Fermi . Ademais, describe como se cambia a densidade de estados ao entrar no estado superconductor, onde non hai ningún estado electrónico na enerxía de Fermi. A fenda de enerxía obsérvase máis directamente nos experimentos de túnel e na reflexión das microondas supercondutoras.

• L. N. Cooper, "Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas Arquivado 10 de marzo de 2011 en Wayback Machine.", Phys. Rev. 104, 1189 - 1190 (1956).
• J. Bardeen, L. N. Cooper e J. A. Schrieffer, "Microscopic Theory of Superconductivity Arquivado 09 de xullo de 2008 en Wayback Machine.", Phys. Arquivado 09 de xullo de 2008 en Wayback Machine. Apoc. 106, 162-164 (1957) Arquivado 09 de xullo de 2008 en Wayback Machine. .
• J. Bardeen, L. N. Cooper e J. A. Schrieffer, "Theory of Superconductivity", Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

• A SUPERCONDUTIVIDADE, en: http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/supercondutividade/supercondutividade4.htm (en portugués)
• ScienceDaily: Physicist Discovers Exotic Superconductivity (University of Arizona) 17 de agosto de 2006 (en inglés)
• Sólidos/ BCS: [en http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/bcs.html]

• Supercondutividade
• Material supercondutor

----

Este artigo sobre física é, polo de agora, só un bosquexo. Traballa nel para axudar a contribuír a que a Galipedia mellore e medre.  Existen igualmente outros artigos relacionados con este tema nos que tamén podes contribuír.