Teoría BCS y el apareamiento de Cooper
La teoría microscópica de la superconductividad muestra que una minúscula atracción mediada por fonones une a los electrones en pares de Cooper que se condensan en un único estado coherente con una brecha de energía.
Definition
La teoría BCS es la teoría microscópica de la superconductividad convencional en la que una débil atracción mediada por fonones une a los electrones de momento y espín opuestos cerca de la superficie de Fermi en pares de Cooper que se condensan en un estado fundamental coherente separado de las excitaciones por una brecha de energía.
Scope
Este tema abarca la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer: la demostración de Cooper de que cualquier atracción desestabiliza el mar de Fermi al formar pares ligados, el origen de esa atracción mediada por fonones, el estado fundamental BCS de pares de Cooper condensados, la brecha de energía superconductora y su dependencia de la temperatura, y las predicciones para la temperatura crítica, el salto de calor específico y el efecto isotópico. Es el fundamento microscópico que anticiparon las fenomenologías de London y Ginzburg-Landau.
Core questions
- ¿Por qué una atracción arbitrariamente débil hace que el mar de Fermi normal sea inestable hacia el apareamiento?
- ¿Cómo median las vibraciones de la red una atracción efectiva entre electrones?
- ¿Qué es la brecha de energía superconductora y cómo se relaciona con la temperatura crítica?
- ¿Qué hechos experimentales, como el efecto isotópico y el salto de calor específico, explica la teoría BCS?
Key concepts
- Pares de Cooper y la inestabilidad de Cooper
- Atracción mediada por fonones
- Estado fundamental BCS y condensado
- Brecha de energía superconductora
- Efecto isotópico y la temperatura crítica
Key theories
- Inestabilidad de Cooper
- Cooper demostró que dos electrones justo por encima de un mar de Fermi lleno forman un par ligado para cualquier interacción atractiva, por débil que sea, por lo que el estado metálico normal es inestable hacia el apareamiento y debe formarse un nuevo estado fundamental.
- Estado fundamental BCS
- Bardeen, Cooper y Schrieffer construyeron una función de onda coherente de muchos cuerpos de pares de Cooper condensados que abre una brecha de energía en la superficie de Fermi y predice cuantitativamente la temperatura crítica, el salto de calor específico y el efecto isotópico.
Clinical relevance
La teoría BCS explica y predice las propiedades de los superconductores convencionales utilizados en imanes, sensores y aceleradores, y sus conceptos de apareamiento y condensación reaparecen en toda la física, desde el helio-3 superfluido hasta las estrellas de neutrones y la analogía del mecanismo de Higgs en la física de partículas.
History
Después de que Fröhlich identificara la interacción electrón-fonón y el efecto isotópico señalara a los fonones, Cooper demostró en 1956 que los electrones apareados se unen, y en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer completaron la teoría microscópica, trabajo que les valió el Premio Nobel de Física en 1972.
Key figures
- John Bardeen
- Leon Cooper
- John Robert Schrieffer
Related topics
Seminal works
- bardeen1957
- cooper1956
Frequently asked questions
- ¿Cómo pueden dos electrones con carga negativa atraerse entre sí?
- Un electrón distorsiona la red de iones positivos, atrayéndolos hacia adentro; el exceso transitorio resultante de carga positiva atrae a un segundo electrón. Esta interacción retardada, mediada por fonones, puede superar la repulsión de Coulomb apantallada y unir un par de Cooper.
- ¿Cuál es el papel de la brecha de energía?
- Los pares de Cooper condensados están separados de cualquier estado excitado por una brecha de energía, por lo que la dispersión de baja energía que disiparía la corriente está prohibida; esta brecha es lo que le da a un superconductor convencional su resistencia cero y sus propiedades térmicas exponenciales.