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Cooperpaar
Leon Cooper im Jahr 2007

Cooper-Paar ist der Name für die Art und Weise, in der Elektronen sind in einer normalen zusammengebunden Supraleiter.

Hintergrund

Diese Verbindung wurde erstmals von dem amerikanischen Physiker beschrieben Leon Cooper (° 1930). Cooper zeigte, dass eine beliebig kleine Anziehung zwischen Elektronen in a Metall kann dazu führen, dass ein Elektronenpaar weniger Energie hat als das Fermi-Energie, was bedeutet, dass das Paar verbunden ist. In normalen Supraleitern resultiert diese Anziehung aus der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen (Gittervibrationen).

Das Fassbinderpaar bildet die Grundlage der BCS-Theorie von Supraleitung die entwickelt wurde von John Bardeen, Robert Schreiffer und Cooper. Dafür teilten sie sich 1972 die Nobelpreis für Physik.

Eine vereinfachte Erklärung

Die folgende Erklärung gibt ein einigermaßen intuitives Bild davon, wie sich Kupferpaare in einem Metall bilden. In Wirklichkeit ist es ein quantenmechanische Effekt, der mit der klassischen Bildsprache unten nicht direkt beschrieben werden kann.

Betrachten Sie zwei kostenlose Elektronen (-) in einem Kristallgitter von positiven Ionen ( ):

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Ein Elektron in einem Metall verhält sich normalerweise wie ein freies Teilchen. Das Elektron wird von den anderen Elektronen abgestoßen, weil sie gleich sind Ladung, wird aber gleichzeitig auch vom Positiven beeinflusst Ionen aus dem Kristallgitter des Metalls. Diese Anziehung kann das Kristallgitter verzerren, um andere Elektronen anzuziehen. Dies nennt man das ElektronPhonon-Interaktion. Wenn die Temperatur sinkt, schwingen die Ionen des Kristallgitters weniger.

Wenn sich ein Elektron durch das gekühlte Kristallgitter bewegt, wird das Kristallgitter mit positiv geladenen Ionen durch die Anziehung des negativ geladenen Elektrons leicht verzerrt. Die positiven Ionen in der Nähe dieses Elektrons bewegen sich leicht in Richtung des Elektrons. Dies führt zu einer etwas höheren Konzentration positiver Ladungen an dieser Stelle. Diese Konzentration positiver Ladungen kann dann andere Elektronen anziehen. Diese indirekte Wechselwirkung bewirkt eine Anziehung zwischen diesen Elektronen und damit die Bildung eines sogenannten Kupferpaares. Diese Paarung tritt normalerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen auf und ist ziemlich schwach, was bedeutet, dass die gepaarten Elektronen Hunderte von Nanometer sind voneinander getrennt.

Cooper dachte zunächst, dass sich in einem Metall ein isoliertes Paar bildet. In einer realistischeren Situation, in der viele Elektronen Paare bilden, wie im BCS-Theorie, es wird angenommen, dass die Paarung ein Loch ist (Englisch: Spalt) öffnet sich im kontinuierlichen Spektrum der erlaubten Energiezustände. Dies bedeutet, dass alle Anregungen des Systems muss eine minimale Energiemenge haben. Dieses Anregungsloch ermöglicht Supraleitung, da kleine Anregungen (wie z Streuung von Elektronen, die normalerweise a elektrischer Wiederstand die nicht Null ist) sind verboten. Der Ursprung dieses Lochs ist ein rein quantenmechanischer Effekt, für den keine einfache klassische Analogie gegeben werden kann.

Herbert Fröhlich war der erste, der vorschlug, dass sich Elektronen als Paare verhalten könnten, die durch kleine Vibrationen im Stoff. Ein Hinweis darauf war der in Supraleitern gemessene Effekt, dass Materialien mit schwereren Ionen (verschiedene Isotope) haben eine niedrigere supraleitende Übergangstemperatur. Dies lässt sich gut mit der Theorie der Kupferpaare erklären. Da schwerere Ionen schwer zu bewegen sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich ihr Gitter verformt und andere Elektronen anzieht. Dies führt dann zu einer kleineren Bindungsenergie für die Kupferpaare.

Die Theorie der Kupferpaare ist recht allgemein und hängt nicht von der spezifischen Elektron-Phonon-Wechselwirkung ab. Mehrere Theoretiker haben andere Paarungsmechanismen mit anderen anziehenden Wechselwirkungen vorgeschlagen, wie z.Aufregung-Wechselwirkungen oder Elektron-PlasmonenInteraktionen. Bis heute wurde keine dieser alternativen Paarungsinteraktionen tatsächlich beobachtet.