الرئيسيةعريقبحث

زوج كوبر

في فيزياء المادة المكثفة ، زوج كوبر أو زوج BCS هو زوج من الإلكترونات (أو الفيرمونات الأخرى) تم ربطهما معًا عند درجات حرارة منخفضة بطريقة معينة وصفها لأول مرة عام 1956 الفيزيائي الأمريكي ليون كوبر. [1]

أظهر كوبر أن الجذب الصغير العشوائي بين الإلكترونات في المعدن يمكن أن يؤدي إلى ازدواج الإلكترونات مع طاقة أقل من طاقة فيرمي ، مما يعني أن الزوج لابد أن يكون، في الموصلات الفائقة التقليدية، يرجع هذا الجذب إلى التفاعل بين الإلكترون والفونون. الحالة الزوجية كوبر هي المسؤولة عن الموصلية الفائقة، كما هو موضح في نظرية BCS التي طورها جون باردين وليون كوبر وجون شريفر والتي تقاسموا فيها جائزة نوبل عام 1972.[2]

على الرغم من أن الاقتران كوبر هو تأثير كمي، يمكن رؤية سبب الاقتران من تفسير كلاسيكي مبسط.[2][3] يتصرف الإلكترون في المعدن عادة كجسيم حر.يتم طرد الإلكترون من الإلكترونات الأخرى بسبب شحنتها السالبة، ولكنه يجذب أيضًا الأيونات الموجبة التي تشكل شبكة معدنية صلبة.هذا الجذب يشوه شبكة الأيونات، يحرك الأيونات قليلاً نحو الإلكترون، مسببًا زيادة كثافة الشحنة الموجبة للشبكة في المنطقة المجاورة. هذه الشحنة الموجبة يمكن أن تجذب إلكترونات أخرى.لمسافات طويلة، يمكن لهذا التجاذب بين الإلكترونات بسبب الأيونات النازحة التغلب على تنافر الإلكترونات بسبب شحنتها السلبية، وتسبب لهم الاقتران.يوضح التفسير الميكانيكي الكمي الدقيق أن التأثير يرجع إلى تفاعلات الإلكترون والفونون، مع كون الفونون هو الحركة الجماعية للشبكة ذات الشحنة الموجبة.[4]

طاقة تفاعل الاقتران ضعيفة جدًا، من الطلبية 10−3 eV ، والطاقة الحرارية يمكن أن تكسر الأزواج بسهولة.لذلك فقط في درجات الحرارة المنخفضة، في المعادن والركائز الأخرى، هي عدد كبير من الإلكترونات في أزواج كوبر.

الإلكترونات في الزوج ليست قريبة من بعضها بالضرورة ؛لأن التفاعل بعيد المدى، قد تظل الإلكترونات المزدوجة متباعدة بمئات النانومتر.عادة ما تكون هذه المسافة أكبر من متوسط المسافة بين الإلكترونات بحيث يمكن للعديد من أزواج كوبر أن تشغل نفس المساحة.[5] الإلكترونات لها دوران 1⁄2 ، لذلك هم الفرميونات ،لكن إجمالي دوران زوج كوبر هو عدد صحيح (0 أو 1) لذا فهو بوزون مركب.هذا يعني أن الدوال الموجية متماثلة تحت تبادل الجسيمات.

وبالتالي، على عكس الإلكترونات، يُسمح بأن يكون العديد من أزواج كوبر في نفس الحالة الكمية، المسؤولة عن ظاهرة الموصلية الفائقة.تنطبق نظرية BCS أيضًا على أنظمة الفرميون الأخرى، مثل الهليوم 3. في الواقع، زوج كوبر هو المسؤول عن فائض الهيليوم 3 في درجات حرارة منخفضة.وقد ثبت أيضًا مؤخرًا أن زوج كوبر يمكن أن يتكون من بوزونين.[6]هنا، يتم دعم الاقتران عن طريق التشابك في شبكة بصرية.

العلاقة مع الموصلية الفائقة

إن ميل جميع أزواج كوبر في الجسم إلى "التكثيف" في نفس الحالة الكمية، هو المسؤول عن الخصائص المميزة للموصلية الفائقة.

اعتبر كوبر في الأصل فقط حالة تكوين أزواج معزولة في معدن. عندما ينظر المرء إلى الحالة الأكثر واقعية للعديد من تكوينات أزواج الإلكترونات، كما هو موضح في نظرية BCS الكاملة، يجد المرء أن الاقتران يفتح فجوة في الطيف المستمر لحالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات، مما يعني أن كل إثارة من النظام يجب أن تمتلك الحد الأدنى من الطاقة.هذه الفجوة في الإثارة تؤدي إلى الموصلية الفائقة، بما أن الإثارة الصغيرة مثل تناثر الإلكترونات ممنوعة.[7]تظهر الفجوة بسبب تأثيرات الجسم المتعددة بين الإلكترونات التي تشعر بالجاذبية.

كان R. R. Ogg ، Jr. أول من اقترح أن الإلكترونات قد تعمل كأزواج إلى جانب اهتزازات الشبكة في المادة.[8][9]وقد تم توضيح ذلك من خلال تأثير النظائر المشاهد في الموصلات الفائقة.أظهر تأثير النظائر أن المواد التي تحتوي على أيونات أثقل (نظائر نووية مختلفة) لها درجات حرارة انتقال منخفضة فائقة التوصيل.يمكن تفسير ذلك من خلال نظرية الاقتران كوبر:من الصعب على الإلكترونات أن تجذب وتحرك الأيونات الثقيلة (كيف تتشكل أزواج كوبر) ، مما يؤدي إلى طاقة ربط أصغر للأزواج.

نظرية أزواج كوبر عامة جدًا ولا تعتمد على التفاعل بين الإلكترون والفونون.اقترح منظري المادة المكثفة آليات الاقتران بناءً على تفاعلات جذابة أخرى مثل تفاعلات الإلكترون-إكسيتون أو تفاعلات الإلكترون-البلازمون.حاليًا، لم تتم ملاحظة أي من تفاعلات الاقتران الأخرى هذه في أي مادة.

وتجدر الإشارة إلى أن اقتران كوبر لا يتضمن اقتران إلكترونات فردية لتكوين "شبه بوزونات".الحالة المزدوجة مفضلة بقوة، والإلكترونات تدخل وتخرج من تلك الحالات بشكل تفضيلي.هذا تمييز دقيق يجعل جون باردين:

"إن فكرة الإلكترونات المزدوجة، على الرغم من أنها ليست دقيقة بالكامل، تجسد معنى ذلك." [10]

يقدم يانغ الوصف الرياضي للتماسك من الدرجة الثانية المتضمن هنا.[11]

مساهمة كبيرة في فهم عملية تكوين زوج الإلكترون ستتم عن طريق تجربة إنشاء زوج كوبر من البوزيترونات.

انظر ايضًا

المراجع

  1. Cooper, Leon N. (1956). "Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas". فيزيكال ريفيو. 104 (4): 1189–1190. Bibcode:1956PhRv..104.1189C. doi:10.1103/PhysRev.104.1189.
  2. Nave, Carl R. (2006). "Cooper Pairs". هايبرفيزيكس. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. مؤرشف من الأصل في 11 سبتمبر 201924 يوليو 2008.
  3. Kadin, Alan M. (2005). "Spatial Structure of the Cooper Pair". Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 20 (4): 285. arXiv:. doi:10.1007/s10948-006-0198-z.
  4. Fujita, Shigeji; Ito, Kei; Godoy, Salvador (2009). Quantum Theory of Conducting Matter. Springer Publishing. صفحات 15–27.  .
  5. Feynman, Richard P.; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1965). Lectures on Physics, Vol.3. أديسون-ويسلي . صفحات 21–7, 8.  .
  6. "Cooper Pairs of Bosons". مؤرشف من الأصل في 09 ديسمبر 201501 سبتمبر 2009.
  7. Nave, Carl R. (2006). "The BCS Theory of Superconductivity". هايبرفيزيكس. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. مؤرشف من الأصل في 11 سبتمبر 201924 يوليو 2008.
  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, "Encyclopedic dictionary of condensed matter physics", (Academic Press, 2004), p. 576
  10. Bardeen, John (1973). "Electron-Phonon Interactions and Superconductivity". كتب في New York. In H. Haken and M. Wagner (المحرر). Cooperative Phenomena. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. صفحة 67. doi:10.1007/978-3-642-86003-4_6.  .
  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. doi:10.1103/revmodphys.34.694. ISSN 0034-6861.


موسوعات ذات صلة :