Կուպերի զույգ
Կուպերի զույգ կամ BCS զույգը ( Բարդին–Կուպեր–Շրիֆեր զույգ ), Խտացված նյութի ֆիզիկայում էլեկտրոնների (կամ այլ ֆերմիոնների ) զույգ է, որոնք կապված են միմյանց։ Առաջին անգամ նկարագրվել է 1956 թվականին ամերիկացի ֆիզիկոս Լեոն Կուպերի կողմից։ [1]
| Ենթակատեգորիա | զույգ, Քվազիմասնիկներ, Բոզոն  | |
|---|---|---|
| Կոչվել է ի պատիվ | Լեոն Կուպեր | |
| Հայտնաբերող կամ հնարող | Լեոն Կուպեր | |
| Հայտնաբերման ամսաթիվ | 1956 | |
| Էլեկտրական լիցք | −2 Տարրական էլեկտրական լիցք | |
| Սպինային քվանտային թին | 0 | |
| Տեսության հեղինակ | Լեոն Կուպեր | |
Նկարագրություն
խմբագրելԿուպերը ցույց տվեց, որ մետաղի էլեկտրոնների միջև կամայականորեն փոքր ձգումը կարող է հանգեցնել էլեկտրոնների ավելի զուգակցված ցածր էներգիայի, քան Ֆերմիի էներգիան: Էլեկտրոն- ֆոնոն փոխազդեցությամբ է պայմանավորված այս ձգողությունը սովորական գերհաղորդիչներում : Կուպերի զույգը պատասխանատու է գերհաղորդականության համար, ինչպես նկարագրված է Ջոն Բարդինի, Լեոն Կուպերի և Ջոն Շրիֆերի կողմից մշակված BCS տեսության մեջ, որի համար նրանք կիսեցին 1972թ. Նոբելյան մրցանակը: [2]
Կուպերի զուգավորումը քվանտային էֆեկտ է[2] [3]: Մետաղում էլեկտրոնը սովորաբար իրեն պահում է որպես ազատ մասնիկ: Էլեկտրոնը վանվում է այլ էլեկտրոններից իրենց բացասական լիցքի պատճառով, բայց այն նաև ձգում է դրական իոնները: Այս ձգողությունը խառնում է իոնային ցանցը։ Դրական լիցքը կարող է ձգել նաև այլ էլեկտրոններ: Մեծ հեռավորությունների վրա, տեղաշարժված իոնների պատճառով էլեկտրոնների միջև այս ձգողությունը կարող է հաղթահարել էլեկտրոնների վանումը նրանց բացասական լիցքի պատճառով և առաջացնել նրանց զուգավորում: Խորացված քվանտային մեխանիկական բացատրությունը ցույց է տալիս, որ էֆեկտը պայմանավորված է էլեկտրոն - ֆոնոն փոխազդեցությամբ, ընդ որում ֆոնոնը դրական լիցքավորված ցանցի կոլեկտիվ շարժումն է: [4]
Զույգային փոխազդեցության էներգիան բավականին թույլ է՝ մոտ 10⁻³ eV կարգի, և ջերմային էներգիան կարող է հեշտությամբ կոտրել այս զույգերը։ Այս պատճառով միայն ցածր ջերմաստիճաններում, մետաղներում և այլ սուբստրատներում, էլեկտրոնների զգալի քանակությունը կարող է պահպանվել կապված Կուպեր զույգերով։
Զույգի էլեկտրոնները պարտադիր չէ, որ միմյանց մոտ լինեն, քանի որ նրանց փոխազդեցությունը կարող է գործել մեծ հեռավորության վրա։ Այսպիսով, զույգ էլեկտրոնները կարող են միմյանցից լինել հարյուրավոր նանոմետրեր հեռավորության վրա։ Այս հեռավորությունը սովորաբար մեծ է միջին միջէլեկտրոնային հեռավորությունից, ուստի բազմաթիվ Կուպեր զույգեր կարող են զբաղեցնել նույն տարածությունը։[5]Էլեկտրոններն ունեն սպին-1⁄2 և, հետևաբար, են ֆերմիոններ, սակայն Կուպեր զույգերի ընդհանուր սպինը ամբողջ թիվ է (0 կամ 1), ինչը նշանակում է, որ դրանք կոմպոզիտային բոզոններ են։ Սա նշանակում է, որ նրանց ալիքային ֆունկցիաները սիմետրիկ են մասնիկների փոխանակման դեպքում։ Դրա պատճառով, ի տարբերություն մեկուսացված էլեկտրոնների, բազմաթիվ Կուպեր զույգեր կարող են գտնվել նույն քվանտային վիճակում, ինչը պատասխանատու է գերհաղորդականության ֆենոմենի համար։
BCS տեսությունը կիրառելի է նաև այլ համակարգերի համար, օրինակ՝ հելիում-3-ի դեպքում։ Այն իրականում պատասխանատու է հելիում-3-ի գերհոսքի համար ցածր ջերմաստիճաններում։ 2008 թվականին առաջարկվեց, որ օպտիկական ցանցերում բոզոնների զույգերը կարող են նման լինել Կուպերի զույգերին[6]։
Կապ գերհաղորդիչների հետ
խմբագրելԿուպերի զույգերի «խտացման» միտումը հիմնական քվանտային վիճակի մեջ պատասխանատու է գերհաղորդականության համար:
Կուպերն սկզբում ուսումնասիրել էր միայն մետաղի մեջ մեկուսացված էլեկտրոնային զույգերի ձևավորման դեպքը։ Բայց երբ անդրադարձ կատարվեց բազմաթիվ էլեկտրոնային զույգերի ձևավորման ավելի իրատեսական վիճակին՝ BCS տեսության համապարփակ բացատրության միջոցով, պարզվեց, որ զույգերի գոյությունը առաջացնում է էներգիայի բաց՝ էլեկտրոնների թույլատրելի էներգիայի վիճակների շարունակական սպեկտրում։ Սա նշանակում է, որ համակարգի բոլոր գրգռումները պետք է ունենան որոշակի նվազագույն էներգիա։ Այս էներգիայի բացը հանգեցնում է գերհաղորդականության, քանի որ փոքր էներգիայի գրգռումները, օրինակ՝ էլեկտրոնների ցրումը, արգելված են[7]։ Այս բացը առաջանում է էլեկտրոնների միջև բազմաթիվ մարմնի փոխազդեցությունների արդյունքում։
RA Ogg Jr.-ն առաջինն էր ենթադրել, որ էլեկտրոնները կարող են գործել որպես զույգեր[8] [9]: Դա ցույց է տվել գերհաղորդիչներում նկատվող իզոտոպային էֆեկտը։ Ավելի ծանր իոններով նյութերը (տարբեր միջուկային իզոտոպներ ) ունեին ավելի ցածր գերհաղորդիչ անցումային ջերմաստիճաններ: Սա կարելի է բացատրել Կուպերի զուգավորման տեսությամբ, ավելի ծանր իոնները էլեկտրոնների համար ավելի դժվար են ձգում , ինչը հանգեցնում է զույգերի ավելի փոքր կապող էներգիայի:
Կուպերի զույգերի տեսությունը բավականին ընդհանուր է և կախված չէ կոնկրետ էլեկտրոն-ֆոտոն փոխազդեցությունից։ Լեկտրոն- էքսիտոն փոխազդեցությունները կամ էլեկտրոն- պլազմոն փոխազդեցությունները խտացրած նյութի զուգավորման մեխանիզմներ են հիմնված այլ գրավիչ փոխազդեցությունների վրա:
Կուպերի զուգավորումը չունի առանձին էլեկտրոնների զուգավորում՝ «քվազի-բոզոններ» ձևավորելու համար։ Էլեկտրոնները մտնում և դուրս են գալիս էներգետիկորեն բարենպաստ զուգակցված վիճակից: Սա հիանալի տարբերակում է, որ անում է Ջոն Բարդինը.
- «Զուգակցված էլեկտրոնների գաղափարը, թեև լիովին ճշգրիտ չէ, բայց գրավում է դրա իմաստը»: [10]
Այստեղ ընդգրկված երկրորդ կարգի մաթեմատիկական նկարագրությունը տրվում է Յանգի կողմից: [11]
Գրականություն
խմբագրել- Մայքլ Թինկհեմ, Գերհաղորդականության ներածություն ,0-486-43503-2
- Շմիդտ, Վադիմ Վասիլևիչ. Գերհաղորդիչների ֆիզիկա. ներածություն հիմունքներին և կիրառություններին. Springer Science & Business Media, 2013 թ.
Ծանոթագրություններ
խմբագրել- ↑ Cooper, Leon N. (1956). «Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas». Physical Review. 104 (4): 1189–1190. Bibcode:1956PhRv..104.1189C. doi:10.1103/PhysRev.104.1189.
- ↑ 2,0 2,1 Nave, Carl R. (2006). «Cooper Pairs». HyperPhysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Վերցված է 2008-07-24-ին.
- ↑ Kadin, Alan M. (2005). «Spatial Structure of the Cooper Pair». Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 20 (4): 285–292. arXiv:cond-mat/0510279. doi:10.1007/s10948-006-0198-z. S2CID 54948290.
- ↑ Fujita, Shigeji; Ito, Kei; Godoy, Salvador (2009). Quantum Theory of Conducting Matter. Springer Publishing. էջեր 15–27. ISBN 978-0-387-88211-6.
- ↑ Feynman, Richard P.; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1965). Lectures on Physics, Vol.3. Addison–Wesley. էջեր 21–7, 8. ISBN 0-201-02118-8.
- ↑ «Cooper Pairs of Bosons». Արխիվացված է օրիգինալից 2015-12-09-ին. Վերցված է 2009-09-01-ին.
- ↑ Nave, Carl R. (2006). «The BCS Theory of Superconductivity». HyperPhysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Վերցված է 2008-07-24-ին.
- ↑ Ogg, Richard A. (1 February 1946). «Bose-Einstein Condensation of Trapped Electron Pairs. Phase Separation and Superconductivity of Metal-Ammonia Solutions». Physical Review. American Physical Society (APS). 69 (5–6): 243–244. Bibcode:1946PhRv...69..243O. doi:10.1103/physrev.69.243. ISSN 0031-899X.
- ↑ Poole Jr, Charles P, "Encyclopedic dictionary of condensed matter physics", (Academic Press, 2004), p. 576
- ↑ Bardeen, John (1973). «Electron-Phonon Interactions and Superconductivity». In H. Haken and M. Wagner (ed.). Cooperative Phenomena. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. էջ 67. doi:10.1007/978-3-642-86003-4_6. ISBN 978-3-642-86005-8.
- ↑ Yang, C. N. (1 September 1962). «Concept of Off-Diagonal Long-Range Order and the Quantum Phases of Liquid He and of Superconductors». Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 34 (4): 694–704. Bibcode:1962RvMP...34..694Y. doi:10.1103/revmodphys.34.694. ISSN 0034-6861.