쿠퍼 쌍은 전자-격자 상호 작용으로 인해 절대 온도에서 느슨하게 결합 된 반대 스핀을 갖는 한 쌍의 전자입니다. 저온에서 보스 닉 상태에 대한 그들의 축합은 초전도성의 원인으로 여겨진다.
사랑에 빠지는 두 명의 인간이 서로를 반발하는 동일한 순 전하를 가진 아 원자 입자에 이르기까지, '반대가 격퇴하고 좋아하는'이라는 믿음은 보편적 인 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 그러나이 소위 법이 예외를 만들기로 결정하면 '슈퍼'가 발생합니다.
도체가 저항이 제로로 전기를 전도하는 상태 인 초전도성은 서로 반발하는 대신 두 전자 (음으로 하전 된 아 원자 입자) 결합의 결과로 여겨진다. 이 결합은 절대 온도가 매우 낮은 온도에서 구체화되며 결합 된 전자는 공동으로 쿠퍼 쌍으로 알려져 있습니다 .
초전도체 위에 침수하는 자석 (사진 크레디트 :Ktsdesign/Shutterstock)
초전도
앞에서 언급했듯이 초전도성은 도체가 모든 전기 저항을 잃는 물리적 상태입니다. 이 현상은 1911 년 물리학자인 Heike Onnes가 수은에서 저항의 온도 의존성을 연구하면서 발견되었습니다. 4.2K (-268.95 ° C)에서 수은을 냉각시키는 동안 모든 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 알았습니다. Onnes의 초전도성 발견에 이어, 이후 몇 년 동안 연구원들은 극한 절대 온도에서 동일한 행동을 반영한 다른 요소와 합금을 발견했습니다.
아시다시피 전기 저항은 결정 격자의 진동 운동으로 인한 전자 (전류)의 흐름에 대한 방해입니다. 저항의 양은 기하학, 구성 및 온도를 포함한 다양한 요인에 따라 다릅니다. 세 가지 중에서도 도체의 저항에 의해 온도의 증가 또는 감소가 반영되는 반면, 반도체는 음수 온도 계수를 가지며이 추세를 따르지 않는다.
.전도성 물질의 온도가 높아짐에 따라 격자 원자는 더 엄격하게 진동을 시작하여 전자의 흐름을 더욱 방해합니다. 반대로, 도체가 냉각 될 때, 원자는 강도가 적은 상태로 진동하여 전류에 대한 저항이 낮다.
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일반 도체와 초전도체의 저항과 온도의 관계.
그러나, 저항과 온도 사이의 선형 관계는 특정 값까지만 유지되며, 그 후 모든 저항이 갑자기 사라지고 초전도 상태로의 전이가 발생합니다. 일반 도체에서 초전도체로의 이러한 전환이 발생하는 온도를 임계 온도 (TC)로 알려져 있습니다. 대부분의 원소의 임계 온도는 0K에서 30K (-273.15 ° C ~ -243.15 ° C) 사이에 있지만 35k (-238.15 ° C)가있는 임계 온도가있는 일부 재료도 확인되었습니다.
.Meissner Effect
초전도체에 의해 나타나는 또 다른 이상한 현상은 내부 부품으로부터 외부 자기장의 배출이며, 이는 일반적으로 Meissner 효과로 알려져있다. 이 추방은 초전도체 내부의 표면 전류에 의해 동일하고 반대되는 자기장의 발달로 인해 발생한다. 이 필드는 적용된 자기장을 취소하여 초전도체가 완벽한 디아마그네시즘을 나타냅니다. 이것은 초전도기에 자석을 배치함으로써 가장 잘 입증됩니다. 두 자기장은 서로 반대하여 자석이 초전도기 위로 내려집니다.
수퍼 전도체를 통해 도체 대 전계 라인을 통해 자기장 선 (사진 크레디트 :Piotr Jaworski/Wikimedia Commons)
또한 임계 온도에 접근 할 때 초전도 재료 바나듐의 열 용량이 갑자기 급증했습니다.
선형 진행, 외부 자기장의 배출 및 열 용량의 증가에 반대하는 저항의 갑작스런 사라짐은 작업에 더 많은 힘이 있음을 시사합니다.
Cooper 쌍 및 BCS 이론
세상은 과학자들이 초전도의 신비를 풀기 위해 꽤 많은 시간을 기다려야했다. 1957 년, 물리학 자 John Bardeen, Leon Cooper 및 John Robert Schrieffer는 초전도체의 기원을 설명하기위한 최초의 미세한 이론을 생각해 냈습니다. 이론은 초전도율이 Cooper 쌍으로 알려진 다중 전자 쌍의 형성 및 응축에서 비롯된 것으로 나타났습니다.
전자는 동료 전자를 격퇴 할 수 있지만, 결정 격자 (원자, 이온 또는 분자의 배열)를 구성하는 양성 이온에 매력적인 힘을 발휘하는 것으로 여겨진다. BCS 이론에 따르면,이 매력은 양의 이온을 통과 전자에 더 가깝게 끌어내어 양전하 밀도가 높아집니다. 전자가 움직일 때,이 영역은 더 높은 양전하 밀도의 영역도 움직입니다. 이 영역은 차례로 첫 번째 스핀과 반대 스핀으로 다른 전자를 유치합니다. 따라서 두 전자는 간접적으로 연결되어“원자 큐피드”, 크리스탈 격자 덕분에 쿠퍼 쌍을 형성합니다.
양의 결정 격자는 쿠퍼 쌍을 형성하는 데 중요한 역할을합니다. (사진 크레딧 :Manoshacker/Wikimedia Commons)
전자-격자 상호 작용의 가능성은 또한 몇 년 전 초전도체에서 목격 된 동위 원소 효과에 의해 뒷받침된다. 동일한 초전도 요소의 상이한 동위 원소를 사용하여 두 개의 개별 그룹에 의해 생성 된 결과에 의해 확인되었다. 무거운 이온은 전자가 유인/당기기가 더 어려워 지므로 임계 온도는 동위 원소의 질량에 반비례하는 것으로 밝혀졌습니다.
쌍을 이루는 전자는 실제로 서로 근접하지 않지만 대신 수백 나노 미터 이상 쌍을 이룹니다. 이를 통해 여러 Cooper 쌍이 동일한 공간을 차지하고 겹치며 집단 응축수를 형성 할 수 있습니다. 또한, 결합 에너지는 상당히 낮으며, 크기 10-3 eV.
쿠퍼 쌍의 응축
실제로, 쿠퍼 쌍의 형성과 초전도성에 대한 그들의 영향은 양자 역학에 대한 지식이 완전히 이해하기 위해 필요한 복잡한 양자 현상이다. 그럼에도 불구하고, 우리는 간다.
임계 온도의 존재, 임계 자기장 (초전도체는 임계 자기장을 넘어 자기장을 발산하는 것을 중지하고 임계 온도에 접근 할 때 열 용량의 증가는 전도성 상태와 초전도 상태 사이의 에너지 갭의 존재를 시사한다. 반도체에서, 원자가 대역과 전도 대역 사이에 유사한 에너지 간격 (밴드 갭)이 존재하지만 초전도체에서 에너지 갭은 쿠퍼 쌍을 파괴하고 정상적인 전자를 형성하는 데 필요한 에너지의 양을 나타냅니다. 에너지 갭은 또한 위상의 변화를 암시하여 모든 전자가 동일한 에너지 수준을 차지해야 함을 시사합니다.
전자는 페르미온, 즉 반 인구 스핀이있는 입자이며 동일한 에너지 수준으로 응축 할 수 없습니다. 그러나, 두 개의 전자가 연결되어 쿠퍼 쌍을 형성 할 때, 반대의 스핀 값은 서로 균형을 잡고 취소하는 것으로 생각되어 쌍의 순 정수 스핀이 발생합니다. 유사한 에너지 갭의 존재는 초과 유체 헬륨에서 이전에 관찰되었지만, 그것은 보손 (정수 스핀 값을 가진 입자)으로 구성되어 있습니다. 따라서 쿠퍼 쌍은 복합 보손처럼 작용하여 동일한 양자 상태에 응축 할 수 있습니다.
낮은 절대 온도에서, 이용 가능한 열 에너지는 쿠퍼 쌍을 파괴하기에 충분하지 않으므로 유지성으로 이어지는 전자-격자 상호 작용을 방지한다. 또한 Cooper 쌍이 겹치기 때문에 얽히고 전류를 운반하는 입자 하나의 큰 그룹 역할을합니다.
전자와 결정 격자의 상호 작용으로 인한 쿠퍼 쌍의 형성과 복합 보손으로서 작용하기위한 결로와 함께, 초전도의 원인으로 여겨진다.
.최종 단어
John Bardeen, Leon Cooper 및 John Robert Schrieffer의 트리오는 BCS 이론을 제시하여 초전도자의 행동을 설명하는 데 도움을 준 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그러나 BCS 이론이 제안 된 지 수십 년이 지난 후, 특정 재료는 30k 이상의 온도에서 초전도성을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다 ( 고온 초전도체 로도 알려진 2 형 초전도 제 ). 이 행동은 BCS 이론을 사용하여 완전히 설명 할 수 없으며 미스터리로 남아 있습니다.
현재, 초전도성의 적용은 1 형 초전도체에 대해 달성 해야하는 극한의 중요한 온도와 유형 2 초전도체의 작동 방식에 대한 제한된 지식으로 인해 제한되어있다. 초전도성은 MRI &NMR 기계, 입자 가속기, 오징어 및 Maglev 열차에서 고용을 발견했다고 말합니다.
