Théorie BCS et appariement de Cooper
La théorie microscopique de la supraconductivité démontre qu'une attraction infime, médiatisée par les phonons, lie les électrons en paires de Cooper qui se condensent en un état cohérent unique, caractérisé par un gap d'énergie.
Definition
La théorie BCS est la théorie microscopique de la supraconductivité conventionnelle dans laquelle une faible attraction médiatisée par les phonons lie les électrons de moment et de spin opposés près de la surface de Fermi en paires de Cooper qui se condensent en un état fondamental cohérent, séparé des excitations par un gap d'énergie.
Scope
Ce sujet aborde la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer : la démonstration de Cooper selon laquelle toute attraction déstabilise la mer de Fermi en formant des paires liées, l'origine de cette attraction médiatisée par les phonons, l'état fondamental BCS des paires de Cooper condensées, le gap d'énergie supraconducteur et sa dépendance à la température, ainsi que les prédictions concernant la température critique, le saut de chaleur spécifique et l'effet isotopique. Elle constitue le fondement microscopique que les phénoménologies de London et Ginzburg-Landau avaient anticipé.
Core questions
- Pourquoi une attraction arbitrairement faible rend-elle la mer de Fermi normale instable vis-à-vis de l'appariement ?
- Comment les vibrations du réseau cristallin (phonons) médiatisent-elles une attraction effective entre les électrons ?
- Qu'est-ce que le gap d'énergie supraconducteur et comment est-il lié à la température critique ?
- Quels faits expérimentaux, tels que l'effet isotopique et le saut de chaleur spécifique, la théorie BCS explique-t-elle ?
Key concepts
- Les paires de Cooper et l'instabilité de Cooper
- L'attraction médiatisée par les phonons
- L'état fondamental BCS et le condensat
- Le gap d'énergie supraconducteur
- L'effet isotopique et la température critique
Key theories
- Instabilité de Cooper
- Cooper a démontré que deux électrons juste au-dessus d'une mer de Fermi remplie forment une paire liée pour toute interaction attractive, aussi faible soit-elle, de sorte que l'état métallique normal est instable vis-à-vis de l'appariement et qu'un nouvel état fondamental doit se former.
- État fondamental BCS
- Bardeen, Cooper et Schrieffer ont construit une fonction d'onde cohérente à plusieurs corps de paires de Cooper condensées qui ouvre un gap d'énergie à la surface de Fermi et prédit quantitativement la température critique, le saut de chaleur spécifique et l'effet isotopique.
Clinical relevance
La théorie BCS explique et prédit les propriétés des supraconducteurs conventionnels utilisés dans les aimants, les capteurs et les accélérateurs. Ses concepts d'appariement et de condensation se retrouvent dans divers domaines de la physique, allant de l'hélium-3 superfluide aux étoiles à neutrons et à l'analogie avec le mécanisme de Higgs en physique des particules.
History
Après que Fröhlich a identifié l'interaction électron-phonon et que l'effet isotopique a mis en évidence le rôle des phonons, Cooper a démontré en 1956 que les électrons appariés se lient. En 1957, Bardeen, Cooper et Schrieffer ont achevé la théorie microscopique, un travail qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1972.
Key figures
- John Bardeen
- Leon Cooper
- John Robert Schrieffer
Related topics
Seminal works
- bardeen1957
- cooper1956
Frequently asked questions
- Comment deux électrons chargés négativement peuvent-ils s'attirer mutuellement ?
- Un électron déforme le réseau d'ions positifs, les attirant vers l'intérieur ; l'excès transitoire de charge positive qui en résulte attire un second électron. Cette interaction retardée, médiatisée par les phonons, peut l'emporter sur la répulsion coulombienne écrantée et lier une paire de Cooper.
- Quel est le rôle du gap d'énergie ?
- Les paires de Cooper condensées sont séparées de tout état excité par un gap d'énergie, de sorte que la diffusion de basse énergie qui dissiperait le courant est interdite ; ce gap est ce qui confère à un supraconducteur conventionnel sa résistance nulle et ses propriétés thermiques exponentielles.