Cooperi paar

Cooperi paar on füüsikaline mõiste, mis tähistab kahte elektroni, mis on omavahel nõrgalt seotud ja liiguvad koos läbi metallilise võre. See nähtus on ülijuhtivuse teooria keskne komponent, kuna Cooperi paarid võimaldavad elektrivoolul liikuda materjalis ilma takistuseta.

Ajalooline taust

1956.aastal esitas ameerika füüsik Leon Cooper teooria, mille kohaselt elektronidevaheline nõrk atraktiivne jõud võib viia nende paaritumiseni isegi siis, kui nende individuaalne energia on kõrgem kui Fermi energia. Need elektronipaarid, mida hakati nimetama Cooperi paarideks, mängivad olulist rolli ülijuhtivuse nähtuses. Cooperi töö pani aluse BCS-teooriale (Bardeen-Cooper-Schrieffer teooria), mis selgitab ülijuhtivuse mikroskoopilisi mehhanisme.​

Moodustumine ja omadused

Cooperi paarid moodustuvad madalatel temperatuuridel, kus soojusenergia on piisavalt väike, et võimaldada elektronidevahelist atraktiivset interaktsiooni. See interaktsioon toimub tavaliselt elektronide ja kristallvõre vibratsioonide (foononite) vahelise sideme kaudu. Kahe elektroni vastassuunalised impulsid ja spinnid võimaldavad neil moodustada paari, millel on null-impulss ja null-spinn, muutes need bosonite sarnaseks. See bosonilaadne käitumine võimaldab Cooperi paaridel kondenseeruda madalaima energiaga olekusse, mis viib ülijuhtivuseni.

Cooperi paarid kõrgtemperatuurses ülijuhtivuses

Kuigi BCS-teooria selgitab edukalt madalatemperatuurilist ülijuhtivust, on kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mehhanismid endiselt teadusliku uurimise objektiks. Mõned teooriad viitavad sellele, et ka kõrgtemperatuurilistes ülijuhtides võivad eksisteerida Cooperi paarid, kuid nende moodustumise mehhanismid võivad erineda traditsioonilistest foonon-vahendatud interaktsioonidest.

Kvantmehaaniline kirjeldus

Kvantmehaaniliselt kirjeldatakse Cooperi paari lainefunktsiooniga, mis on sümmeetriline elektronide vahetuse suhtes. See sümmeetria võimaldab paaridel vältida Pauli tõrjutusprintsiipi, mis kehtib fermionide kohta, ja käituda bosonitena. Bosonitena saavad Cooperi paarid kondenseeruda samasse kvantolekusse, mis on ülijuhtivuse aluseks.​

Rakendused ja kaasaegsed uuringud

Cooperi paaride mõistmine on võimaldanud arendada mitmeid tehnoloogiaid, nagu magnetresonantstomograafia (MRT) ja kvantandurid. Lisaks on see teadmine oluline kvantarvutite arendamisel, kus ülijuhtivad materjalid võivad toimida kvantbittidena. Tänapäeva teadusuuringud keskenduvad kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mõistmisele, kus Cooperi paaride moodustumine toimub kõrgematel temperatuuridel kui traditsioonilistes ülijuhtides. Näiteks on leitud, et teatud materjalides võivad elektronid moodustada paare alternatiivsete mehhanismide kaudu, mis ei pruugi hõlmata foononite vahendatud interaktsioone.​

Viited

1. Bardeen, J., Cooper, L. N., & Schrieffer, J. R. (1957). Theory of Superconductivity. Physical Review, 108(5), 1175–1204.

2.Cooper, L. N. (1956). Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas. Physical Review, 104(4), 1189–1190.

3.Kittel, C. (2005). Introduction to Solid State Physics (8th ed.). Wiley.

4.Schrieffer, J. R. (1964). Theory of Superconductivity. Benjamin-Cummings Publishing Company.

5.Tinkham, M. (1996). Introduction to Superconductivity (2nd ed.). McGraw-Hill.