초전도의 원인 '쿠퍼 쌍'

by Julian Litzel

물성 물리학에서 쿠퍼 쌍은 특정 방법의 저온에서 결합된 전자(또는 다른 페르미 입자) 쌍입니다. 1956년에 미국 물리학자 레온 쿠퍼에 의해 기술되었다.

쿠퍼는 금속 내의 전자들 사이의 작은 인력으로 인해 전자의 쌍 상태가 페르미 에너지보다 낮은 에너지를 가질 수 있음을 보여주었다. 이것은 전자 쌍이 결합되었음을 의미한다. 종래의 초전도체에서 이 인력은 전자-포논 상호작용에 기인한다. BCS 이론에서 설명한 바와 같이 쿠퍼 쌍 상태는 초전도의 원인이다.

쿠퍼 쌍이 만들어지는 것은 양자효과이지만 쌍을 이루는 이유는 단순화된 고전역학의 설명으로부터 이해할 수 있다. 금속 내의 전자는 보통 자유입자로서 작용한다. 전자는 음의 전하를 갖고 있기 때문에 다른 전자와 반발하지만 금속의 격자를 구성하는 양이온을 끌어 당긴다. 이 인력은 이온격자에 왜곡을 일으켜 이온이 전자를 향해 약간 이동하여 주변 격자의 양전하 밀도가 증가한다. 이 양전하는 다른 전자를 끌어 당긴다. 이 이동된 이온에 의한 전자간의 인력이 음의 전하에 의한 전자의 반발을 상회하여 전자가 쌍이 될 수 있다. 엄격한 양자역학적 설명에서 이 효과는 전자-포논 상호작용으로 인한 것이며 포논은 양으로 하전된 격자의 집단운동임을 나타낸다.

쌍 상호작용의 에너지는 10^-3 eV 정도로 매우 약하며 열에너지로 인해 쌍이 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 금속 및 다른 기판에서는 저온에서만 많은 수의 전자가 쿠퍼 쌍이 된다.

쌍을 이루는 전자는 반드시 서로 접근할 필요는 없다. 상호작용은 장거리이기 때문에 전자쌍은 여전히 ​​수백 나노미터 떨어져 있을 수 있다. 이 거리는 일반적으로 평균 전자 간 거리보다 길기 때문에 많은 쿠퍼 쌍이 동일한 공간을 차지할 수 있다. 전자는 스핀 1⁄2이기 때문에 페르미 입자이지만, 쿠퍼 쌍의 총 스핀은 정수(0 또는 1)이기 때문에 복합보스입자이다. 이것은 파동함수가 입자교환 하에서 대칭임을 의미한다. 따라서 전자와 달리 복수의 쿠퍼 쌍이 동일한 양자상태가 되는 것이 허용되고, 이는 초전도 현상의 원인이 된다.

2008년, 광격자 내의 보스입자가 쿠퍼 쌍과 유사할 가능성이 제안되었다.

물체의 모든 쿠퍼 쌍이 동일한 기저상태로 '응축'하는 경향은 초전도의 특이한 특성을 유발한다.

쿠퍼는 처음에는 금속에 고립된 쌍이 형성되는 경우만 고려했다. 완전한 BCS 이론에서 설명한 바와 같이 많은 전자쌍 형성의 보다 현실적인 상태를 고려하면, 쌍이 형성됨으로써 전자의 허용 에너지상태의 연속 스펙트럼에 갭이 생기는 것을 알 수 있다. 이것은 계의 모든 여기가 어느 정도 최소한의 에너지를 가질 필요가 있음을 의미한다. 전자의 산란 등의 작은 여기가 금지되기 때문에 이 '여기와의 갭'이 초전도로 이어진다.  갭은 인력을 느끼는 전자 간의 다체 효과에 의해 나타난다.

RA Ogg Jr.은 전자가 물질 내의 격자진동에 의해 결합 된 쌍으로 운동할 수 있음을 먼저 제안했다. 이것은 초전도체에서 관찰되는 동위원소 효과에 의해 나타났다. 동위원소 효과는 더 무거운 이온(다른 핵 동위원소)을 포함하는 물질일수록 초전도 전이온도가 낮다는 것을 보여주었다. 이것은 쿠퍼 쌍의 이론으로 설명할 수 있다. 무거운 이온일수록 전자가 끌어당겨지거나 이동하기 어려워지고 결과적으로 쌍의 결합 에너지가 작아진다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- クーパー対
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AF%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E5%AF%BE