Теория БКШ и куперовское спаривание

Микроскопическая теория сверхпроводимости показывает, что крошечное фонон-опосредованное притяжение связывает электроны в куперовские пары, которые конденсируются в единое когерентное состояние с энергетической щелью.

Definition

Теория БКШ — это микроскопическая теория обычной сверхпроводимости, в которой слабое фонон-опосредованное притяжение связывает электроны с противоположным импульсом и спином вблизи поверхности Ферми в куперовские пары, которые конденсируются в когерентное основное состояние, отделенное от возбуждений энергетической щелью.

Scope

Эта тема охватывает теорию Бардина-Купера-Шриффера: демонстрацию Купера того, что любое притяжение дестабилизирует Ферми-море, образуя связанные пары, фонон-опосредованное происхождение этого притяжения, основное состояние БКШ конденсированных куперовских пар, сверхпроводящую энергетическую щель и ее температурную зависимость, а также предсказания для критической температуры, скачка удельной теплоемкости и изотопического эффекта. Это микроскопическая основа, которую предвосхитили феноменологии Лондона и Гинзбурга-Ландау.

Core questions

• Почему сколь угодно слабое притяжение делает нормальное Ферми-море нестабильным по отношению к спариванию?
• Как колебания решетки опосредуют эффективное притяжение между электронами?
• Что такое сверхпроводящая энергетическая щель и как она связана с критической температурой?
• Какие экспериментальные факты, такие как изотопический эффект и скачок удельной теплоемкости, объясняет теория БКШ?

Key concepts

• Куперовские пары и неустойчивость Купера
• Фонон-опосредованное притяжение
• Основное состояние БКШ и конденсат
• Сверхпроводящая энергетическая щель
• Изотопический эффект и критическая температура

Key theories

Неустойчивость Купера

Купер показал, что два электрона непосредственно над заполненным Ферми-морем образуют связанную пару при любом притягательном взаимодействии, сколь угодно слабом, поэтому нормальное металлическое состояние нестабильно по отношению к спариванию, и должно образоваться новое основное состояние.

Основное состояние БКШ

Бардин, Купер и Шриффер построили когерентную многочастичную волновую функцию конденсированных куперовских пар, которая открывает энергетическую щель на поверхности Ферми и количественно предсказывает критическую температуру, скачок удельной теплоемкости и изотопический эффект.

Clinical relevance

Теория БКШ объясняет и предсказывает свойства обычных сверхпроводников, используемых в магнитах, датчиках и ускорителях, а ее концепции спаривания и конденсации повторяются в физике, от сверхтекучего гелия-3 до нейтронных звезд и аналогии механизма Хиггса в физике элементарных частиц.

History

После того как Фрёлих идентифицировал электрон-фононное взаимодействие, а изотопический эффект указал на фононы, Купер в 1956 году показал, что спаренные электроны связываются, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер завершили микроскопическую теорию, работа, за которую была присуждена Нобелевская премия по физике 1972 года.

Key figures

• John Bardeen
• Leon Cooper
• John Robert Schrieffer

Seminal works

• bardeen1957
• cooper1956

Frequently asked questions

Как два отрицательно заряженных электрона могут притягиваться друг к другу?

Один электрон искажает решетку положительных ионов, притягивая их внутрь; возникающий временный избыток положительного заряда притягивает второй электрон. Это запаздывающее, фонон-опосредованное взаимодействие может перевесить экранированное кулоновское отталкивание и связать куперовскую пару.

Какова роль энергетической щели?

Конденсированные куперовские пары отделены от любого возбужденного состояния энергетической щелью, поэтому низкоэнергетическое рассеяние, которое рассеивало бы ток, запрещено; эта щель придает обычному сверхпроводнику нулевое сопротивление и его экспоненциальные тепловые свойства.