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クーパーペアとは何ですか &超伝導の原因は何ですか?

<ブロック引用>

クーパー対は、反対のスピンを持つ電子のペアであり、電子-格子相互作用により絶対温度でゆるく結合されます。低温でのボソン状態への凝縮が、超伝導の背後にある理由であると考えられています。

正反対の考えを持つ 2 人の人間が恋に落ちることから、正味電荷が同じで互いに反発する亜原子粒子に至るまで、「反対のものは引き合い、反発するのが好き」という信念は、普遍的な意味を持つことが知られています。しかし、このいわゆる法律が例外を作ることを決定すると、「超」何かが起こります。

超伝導 - 導体がゼロ抵抗で電気を伝導する状態 - は、2 つの電子 (負に帯電した亜原子粒子) が互いに反発するのではなく、結合した結果であると考えられています。この結合は非常に低い絶対温度で実現し、束縛された電子はクーパー対として知られています。 .

超伝導体の上を浮遊する磁石 (写真提供:ktsdesign/Shutterstock)

超伝導

前述したように、超伝導とは、導体がすべての電気抵抗を失った物理的状態です。この現象は、1911 年に物理学者 Heike Onnes によって水銀の抵抗の温度依存性を研究しているときに発見されました。水銀を 4.2 K (-268.95°C) で冷却しているときに、すべての電気抵抗が突然ゼロになったことに気付きました。 Onnes による超伝導の発見に続いて、その後の数年間で、研究者は極端な絶対温度でこれと同じ挙動を反映する他の元素や合金を発見しました。

電気抵抗とは、ご存じのとおり、結晶格子の振動運動による電子の流れ(電流)の障害です。抵抗の大きさは、形状、組成、温度など、さまざまな要因によって異なります。 3つのうち、温度の増減は導体の抵抗によって反映されますが、半導体は負の温度係数を持ち、この傾向には従いません.

導電性材料の温度が上昇すると、格子原子はより厳密に振動し始め、電子の流れをさらに妨げます。反対に、導体が冷却されると、原子の振動強度が低下するため、電流に対する抵抗が低下します。

常伝導体と超伝導体の抵抗と温度の関係

しかし、抵抗と温度の線形関係はある値までしか維持されず、その後、すべての抵抗が突然なくなり、超伝導状態への転移が起こります。この常伝導体から超伝導体への転移が起こる温度は、臨界温度 (Tc) として知られています。ほとんどの元素の臨界温度は 0K から 30K (-273.15°C から -243.15°C) の間にありますが、臨界温度が 35K (-238.15°C) を超える材料も特定されています。

マイスナー効果

超伝導体が示すもう 1 つの奇妙な現象は、マイスナー効果として一般に知られている内部からの外部磁場の排除です。この追放は、超伝導体内部の表面電流による等しく反対の磁場の発生により発生します。この磁場は適用された磁場を打ち消し、超伝導体は完全な反磁性を示します。これは、超伝導体に磁石を配置することによって最もよく実証されます。 2 つの磁場が互いに対立し、磁石が超伝導体の上に浮揚します。

導体を通る磁力線と超伝導体を通る磁力線 (写真提供:Piotr Jaworski/Wikimedia Commons)

また、臨界温度に近づくと、超伝導材料バナジウムの熱容量の急激なスパイクが観察されました。

直線的な進行に反する抵抗の突然の消失、外部磁場の排除、および熱容量の増加は、より多くの力が働いていることを示唆しています。おそらく、物質の相変化でさえあります。

クーパー ペアと BCS 理論

科学者が超伝導体の謎を解き明かすまで、世界はかなりの時間を待たなければなりませんでした。 1957 年、物理学者のジョン バーディーン、レオン クーパー、ジョン ロバート シュリーファーは、超伝導体の起源を説明する最初の微視的理論を思いつきました。この理論では、超伝導は、クーパー対として知られる複数の電子対の形成と凝縮から生じると述べています。

電子は仲間の電子を反発する可能性がありますが、結晶格子 (原子、イオン、または分子の配列) を構成する陽イオンに引力を及ぼすと考えられています。 BCS 理論によれば、この引力は正イオンを通過する電子に引き寄せ、より高い正電荷密度の領域をもたらします。電子が移動すると、正電荷密度の高いこの領域も移動します。次に、この領域は、最初のスピンとは反対のスピンを持つ別の電子を引き付けます。このように、2 つの電子は間接的に結合し、それらの「原子キューピッド」である結晶格子のおかげでクーパー対を形成します。

正の結晶格子は、クーパー対の形成に重要な役割を果たします。 (写真提供:ManosHacker/Wikimedia Commons)

電子格子相互作用の可能性は、数年前に超伝導体で目撃された同位体効果によっても支持されています。同じ超伝導元素の異なる同位体を使用すると、臨界温度がシフトすることが見られました。より重いイオンは、電子が引き付けたり引っ張ったりするのが難しいと考えられているため、臨界温度は同位体の質量に反比例することがわかっています.

対になった電子は、実際には互いに近接しているわけではなく、数百ナノメートルにわたって対になっています。これにより、複数のクーパー対が同じ空間を占有し、重なり合い、集合凝縮体を形成することができます。また、結合エネルギーは非常に低く、大きさは 10−3 eV です。

クーパー対の凝縮

実際には、クーパー対の形成とその超伝導への影響は複雑な量子現象であり、完全に理解するには量子力学の知識が必要です。

臨界温度、臨界磁場 (超伝導体が臨界磁場を超えると磁場の放出を停止する) の存在、および臨界温度に近づくと熱容量が増加することは、伝導状態と超伝導状態の間にエネルギーギャップが存在することを示唆しています。半導体では、価電子帯と伝導帯の間に同様のエネルギー ギャップ (バンドギャップとして知られる) が存在しますが、超伝導体では、エネルギー ギャップは、クーパー対を壊して通常の電子を形成するのに必要なエネルギー量を表します。エネルギー ギャップは位相の変化も示唆しており、すべての電子が同じエネルギー レベルを占めている必要があることを示唆しています。

電子はフェルミオン、つまり半整数のスピンを持つ粒子であり、同じエネルギー準位に凝縮することはできません。ただし、2 つの電子が結合してクーパー対を形成すると、それらの反対のスピン値が互いにバランスを取り合い、打ち消し合うと考えられ、対の正味の整数スピンが得られます。同様のエネルギーギャップの存在は、超流動ヘリウムで以前に見られましたが、それはボソン (整数のスピン値を持つ粒子) で構成されていました。したがって、クーパー対は合成ボソンのように機能すると考えられているため、同じ量子状態に凝縮できます。

低い絶対温度では、利用可能な熱エネルギーはクーパー対を破壊するのに十分ではないため、抵抗率につながる種類の電子格子相互作用が妨げられます。また、クーパー対は重なり合うため、絡み合い、電流を運ぶ粒子の 1 つの大きなグループとして機能します。

したがって、電子と結晶格子との相互作用によるクーパー対の形成と、複合ボソンとして作用するためのそれらの凝縮が、超伝導の理由であると考えられています。

最後の言葉

ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーのトリオは、BCS 理論を提唱し、超伝導体の挙動の説明に貢献したことでノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、BCS 理論が提案されてから数十年後、特定の材料が 30K を超える温度で超伝導を示すことが発見されました (タイプ 2 超伝導体、別名 高温超伝導体) )。この動作は、BCS 理論を使用して完全に説明することはできず、謎のままです。

現在、超伝導の応用は、タイプ 1 超伝導体が達成しなければならない極端な臨界温度と、タイプ 2 超伝導体がどのように機能するかについての知識が限られているため、制限されています。そうは言っても、超伝導は MRI および NMR マシン、粒子加速器、SQUIDS、リニアモーターカーなど、エキサイティングな最新のアプリケーションに採用されています!


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