Teoria BCS e Emparelhamento de Cooper

A teoria microscópica da supercondutividade mostra que uma minúscula atração mediada por fônons liga elétrons em pares de Cooper que se condensam em um único estado coerente com um gap de energia.

Definition

A teoria BCS é a teoria microscópica da supercondutividade convencional na qual uma fraca atração mediada por fônons liga elétrons de momento e spin opostos próximos à superfície de Fermi em pares de Cooper que se condensam em um estado fundamental coerente separado das excitações por um gap de energia.

Scope

Este tópico aborda a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer: a demonstração de Cooper de que qualquer atração desestabiliza o mar de Fermi formando pares ligados, a origem mediada por fônons dessa atração, o estado fundamental BCS de pares de Cooper condensados, o gap de energia supercondutor e sua dependência da temperatura, e as previsões para a temperatura crítica, o salto de calor específico e o efeito isotópico. É o fundamento microscópico que as fenomenologias de London e Ginzburg-Landau anteciparam.

Core questions

• Por que uma atração arbitrariamente fraca torna o mar de Fermi normal instável ao emparelhamento?
• Como as vibrações da rede mediam uma atração efetiva entre os elétrons?
• O que é o gap de energia supercondutor e como ele se relaciona com a temperatura crítica?
• Quais fatos experimentais, como o efeito isotópico e o salto de calor específico, a teoria BCS explica?

Key concepts

• Pares de Cooper e a instabilidade de Cooper
• Atração mediada por fônons
• Estado fundamental BCS e condensado
• Gap de energia supercondutor
• Efeito isotópico e a temperatura crítica

Key theories

Instabilidade de Cooper

Cooper mostrou que dois elétrons logo acima de um mar de Fermi preenchido formam um par ligado para qualquer interação atrativa, por mais fraca que seja, de modo que o estado metálico normal é instável ao emparelhamento e um novo estado fundamental deve se formar.

Estado fundamental BCS

Bardeen, Cooper e Schrieffer construíram uma função de onda coerente de muitos corpos de pares de Cooper condensados que abre um gap de energia na superfície de Fermi e prevê quantitativamente a temperatura crítica, o salto de calor específico e o efeito isotópico.

Clinical relevance

A teoria BCS explica e prevê as propriedades de supercondutores convencionais usados em ímãs, sensores e aceleradores, e seus conceitos de emparelhamento e condensação reaparecem em toda a física, desde o hélio-3 superfluido até estrelas de nêutrons e a analogia do mecanismo de Higgs na física de partículas.

History

Depois que Fröhlich identificou a interação elétron-fônon e o efeito isotópico apontou para os fônons, Cooper mostrou em 1956 que elétrons emparelhados se ligam, e em 1957 Bardeen, Cooper e Schrieffer completaram a teoria microscópica, trabalho que lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1972.

Key figures

• John Bardeen
• Leon Cooper
• John Robert Schrieffer

Seminal works

• bardeen1957
• cooper1956

Frequently asked questions

Como dois elétrons carregados negativamente podem se atrair?

Um elétron distorce a rede de íons positivos, atraindo-os para dentro; o excesso transitório resultante de carga positiva atrai um segundo elétron. Essa interação retardada, mediada por fônons, pode superar a repulsão de Coulomb blindada e ligar um par de Cooper.

Qual é o papel do gap de energia?

Os pares de Cooper condensados são separados de qualquer estado excitado por um gap de energia, de modo que o espalhamento de baixa energia que dissiparia a corrente é proibido; este gap é o que confere a um supercondutor convencional sua resistência zero e suas propriedades térmicas exponenciais.