Teori BCS dan Pasangan Cooper

Teori mikroskopis superkonduktivitas menunjukkan bahwa daya tarik kecil yang dimediasi fonon mengikat elektron menjadi pasangan Cooper yang mengembun menjadi satu keadaan koheren dengan celah energi.

Definition

Teori BCS adalah teori mikroskopis superkonduktivitas konvensional di mana daya tarik lemah yang dimediasi fonon mengikat elektron dengan momentum dan spin berlawanan di dekat permukaan Fermi menjadi pasangan Cooper yang mengembun menjadi keadaan dasar koheren yang terpisah dari eksitasi oleh celah energi.

Scope

Topik ini mencakup teori Bardeen-Cooper-Schrieffer: demonstrasi Cooper bahwa setiap daya tarik mengganggu kestabilan Fermi sea dengan membentuk pasangan terikat, asal-usul daya tarik yang dimediasi fonon, keadaan dasar BCS dari pasangan Cooper yang terkondensasi, celah energi superkonduktor dan ketergantungannya pada suhu, serta prediksi untuk suhu kritis, lompatan panas spesifik, dan efek isotop. Ini adalah fondasi mikroskopis yang diantisipasi oleh fenomenologi London dan Ginzburg-Landau.

Core questions

• Mengapa daya tarik yang sangat lemah membuat Fermi sea normal tidak stabil terhadap pembentukan pasangan?
• Bagaimana getaran kisi memediasi daya tarik efektif antara elektron?
• Apa itu celah energi superkonduktor, dan bagaimana hubungannya dengan suhu kritis?
• Fakta eksperimental mana, seperti efek isotop dan lompatan panas spesifik, yang dijelaskan oleh teori BCS?

Key concepts

• Pasangan Cooper dan ketidakstabilan Cooper
• Daya tarik yang dimediasi fonon
• Keadaan dasar BCS dan kondensat
• Celah energi superkonduktor
• Efek isotop dan suhu kritis

Key theories

Ketidakstabilan Cooper

Cooper menunjukkan bahwa dua elektron tepat di atas Fermi sea yang terisi membentuk pasangan terikat untuk setiap interaksi atraktif, sekecil apa pun, sehingga keadaan logam normal tidak stabil terhadap pembentukan pasangan dan keadaan dasar baru harus terbentuk.

Keadaan dasar BCS

Bardeen, Cooper, dan Schrieffer membangun fungsi gelombang banyak-benda koheren dari pasangan Cooper yang terkondensasi yang membuka celah energi pada permukaan Fermi dan secara kuantitatif memprediksi suhu kritis, lompatan panas spesifik, dan efek isotop.

Clinical relevance

Teori BCS menjelaskan dan memprediksi sifat-sifat superkonduktor konvensional yang digunakan dalam magnet, sensor, dan akselerator, dan konsep-konsepnya tentang pasangan dan kondensasi muncul kembali di seluruh fisika, mulai dari helium-3 superfluida hingga bintang neutron dan analogi mekanisme Higgs dalam fisika partikel.

History

Setelah Fröhlich mengidentifikasi interaksi elektron-fonon dan efek isotop menunjuk pada fonon, Cooper menunjukkan pada tahun 1956 bahwa elektron berpasangan mengikat, dan pada tahun 1957 Bardeen, Cooper, dan Schrieffer menyelesaikan teori mikroskopis, sebuah karya yang memperoleh Hadiah Nobel Fisika tahun 1972.

Key figures

• John Bardeen
• Leon Cooper
• John Robert Schrieffer

Seminal works

• bardeen1957
• cooper1956

Frequently asked questions

Bagaimana dua elektron bermuatan negatif dapat saling menarik?

Satu elektron mendistorsi kisi ion positif, menariknya ke dalam; kelebihan muatan positif sementara yang dihasilkan menarik elektron kedua. Interaksi tertunda yang dimediasi fonon ini dapat melebihi tolakan Coulomb yang terlayar dan mengikat pasangan Cooper.

Apa peran celah energi?

Pasangan Cooper yang terkondensasi dipisahkan dari setiap keadaan tereksitasi oleh celah energi, sehingga hamburan energi rendah yang akan menghilangkan arus dilarang; celah inilah yang memberikan superkonduktor konvensional resistansi nol dan sifat termal eksponensialnya.