نظرية BCS وازدواج كوبر

تُظهر النظرية المجهرية للموصلية الفائقة أن تجاذبًا ضئيلًا بوساطة الفونونات يربط الإلكترونات في أزواج كوبر التي تتكثف في حالة متماسكة واحدة مع فجوة طاقة.

Definition

نظرية BCS هي النظرية المجهرية للموصلية الفائقة التقليدية التي يربط فيها تجاذب ضعيف بوساطة الفونونات إلكترونات ذات زخم ودوران متعاكسين بالقرب من سطح فيرمي في أزواج كوبر التي تتكثف في حالة قاعية متماسكة مفصولة عن الإثارات بفجوة طاقة.

Scope

يغطي هذا الموضوع نظرية باردين-كوبر-شريفر: إثبات كوبر أن أي تجاذب يزعزع استقرار بحر فيرمي عن طريق تكوين أزواج مقيدة، والأصل بوساطة الفونونات لهذا التجاذب، والحالة القاعية لـ BCS من أزواج كوبر المتكثفة، وفجوة الطاقة فائقة التوصيل واعتمادها على درجة الحرارة، والتنبؤات لدرجة الحرارة الحرجة، وقفزة الحرارة النوعية، وتأثير النظائر. إنها الأساس المجهري الذي توقعته ظواهر لندن وجينزبورغ-لانداو.

Core questions

• لماذا يجعل التجاذب الضعيف بشكل تعسفي بحر فيرمي العادي غير مستقر تجاه الازدواج؟
• كيف تتوسط اهتزازات الشبكة تجاذبًا فعالًا بين الإلكترونات؟
• ما هي فجوة الطاقة فائقة التوصيل، وكيف ترتبط بدرجة الحرارة الحرجة؟
• ما هي الحقائق التجريبية، مثل تأثير النظائر وقفزة الحرارة النوعية، التي تشرحها نظرية BCS؟

Key concepts

• أزواج كوبر وعدم استقرار كوبر
• التجاذب بوساطة الفونونات
• الحالة القاعية لـ BCS والمكثف
• فجوة الطاقة فائقة التوصيل
• تأثير النظائر ودرجة الحرارة الحرجة

Key theories

عدم استقرار كوبر

أظهر كوبر أن إلكترونين فوق بحر فيرمي الممتلئ مباشرة يشكلان زوجًا مقيدًا لأي تفاعل جذاب، مهما كان ضعيفًا، وبالتالي فإن الحالة المعدنية العادية غير مستقرة تجاه الازدواج ويجب أن تتشكل حالة قاعية جديدة.

الحالة القاعية لـ BCS

بنى باردين وكوبر وشريفر دالة موجية متماسكة متعددة الأجسام من أزواج كوبر المتكثفة التي تفتح فجوة طاقة عند سطح فيرمي وتتنبأ كميًا بدرجة الحرارة الحرجة، وقفزة الحرارة النوعية، وتأثير النظائر.

Clinical relevance

تشرح نظرية BCS وتتنبأ بخصائص الموصلات الفائقة التقليدية المستخدمة في المغناطيسات، وأجهزة الاستشعار، والمسرعات، وتتكرر مفاهيمها عن الازدواج والتكثف في جميع أنحاء الفيزياء، من الهيليوم-3 فائق الميوعة إلى النجوم النيوترونية وتشبيه آلية هيغز في فيزياء الجسيمات.

History

بعد أن حدد فروليش تفاعل الإلكترون-فونون وأشار تأثير النظائر إلى الفونونات، أظهر كوبر في عام 1956 أن الإلكترونات المزدوجة ترتبط، وفي عام 1957 أكمل باردين وكوبر وشريفر النظرية المجهرية، وهو العمل الذي نالوا عليه جائزة نوبل في الفيزياء عام 1972.

Key figures

• John Bardeen
• Leon Cooper
• John Robert Schrieffer

Seminal works

• bardeen1957
• cooper1956

Frequently asked questions

كيف يمكن لإلكترونين مشحونين سلبًا أن ينجذبا لبعضهما البعض؟

يشوه أحد الإلكترونات شبكة الأيونات الموجبة، ويسحبها إلى الداخل؛ ويجذب الفائض المؤقت الناتج من الشحنة الموجبة إلكترونًا ثانيًا. يمكن لهذا التفاعل المتأخر بوساطة الفونونات أن يفوق تنافر كولوم المحجوب ويربط زوج كوبر.

ما هو دور فجوة الطاقة؟

تُفصل أزواج كوبر المتكثفة عن أي حالة مثارة بفجوة طاقة، لذا فإن التشتت منخفض الطاقة الذي من شأنه أن يبدد التيار محظور؛ هذه الفجوة هي ما يمنح الموصل الفائق التقليدي مقاومته الصفرية وخصائصه الحرارية الأسية.