쿠퍼 쌍

3. 쿠퍼 쌍의 특징

쿠퍼 쌍은 두 개의 전자로 구성되지만, 총 스핀이 정수(0 또는 1)이므로 보스 입자처럼 행동한다. 이러한 특성 덕분에 여러 쿠퍼 쌍이 동일한 양자 상태에 존재할 수 있다.^[5]

일반적인 초전도체에서 쿠퍼 쌍을 형성하게 하는 인력은 전자-포논 상호작용에 기인한다.^[2] 금속 내에서 전자는 음전하를 띠기 때문에 서로 반발하지만, 양이온으로 구성된 금속 격자를 끌어당기기도 한다. 이 인력은 이온 격자를 왜곡시켜 양전하 밀도를 증가시키고, 이는 다시 다른 전자를 끌어당기는 역할을 한다. 먼 거리에서는 이러한 인력이 전자 간의 반발력을 넘어서서 쿠퍼 쌍을 형성하게 된다.^[3][4]

쿠퍼 쌍을 이루는 상호작용 에너지는 매우 약해서(1meV 정도) 열에너지에 의해 쉽게 깨질 수 있다. 따라서 낮은 온도에서만 상당수의 전자가 쿠퍼 쌍으로 묶이게 된다.^[5]

3. 1. 보스-아인슈타인 응축

3. 2. 공간적 범위

4. 초전도 현상과의 관계

모든 쿠퍼 쌍이 동일한 바닥 양자 상태로 응축되는 현상은 초전도체의 특이한 성질을 설명하는 핵심 요인이다.^[7] 쿠퍼 쌍 이론은 특정 전자-음향 상호작용에 국한되지 않고 매우 일반적이다. 응집 물질 이론가들은 전자-엑시톤 상호작용이나 전자-플라즈몬 상호작용 같이 다른 매력적인 상호작용을 바탕으로 하는 페어링 메커니즘을 제안하기도 했지만, 아직까지 이러한 상호작용이 실제로 관찰된 사례는 없다.

쿠퍼 페어링은 개별 전자가 '준보존'을 형성하기 위해 쌍을 이루는 것이 아니다. 에너지 관점에서 페어링된 상태가 유리하기 때문에 전자는 이러한 상태를 선호하며, 이 상태를 자유롭게 드나든다. 존 바딘은 이를 "쌍을 이룬 전자의 개념은 엄밀히 말하면 정확하지 않지만, 그 본질은 담고 있다"고 표현했다.^[10]

4. 1. 에너지 갭

4. 2. 동위원소 효과

4. 3. BCS 이론

5. 다른 페르미온계로의 확장

BCS 이론은 헬륨-3과 같은 다른 페르미온 시스템에도 적용될 수 있다.

5. 1. 광격자 내 보존쌍

6. 추가 연구

R. A. Ogg Jr.는 물질 내의 격자 진동에 의해 결합된 쌍으로 전자가 작용할 수 있다고 처음 제안했다.^[8][9] 이는 초전도체에서 관찰된 동위원소 효과로 나타났다. 동위원소 효과는 더 무거운 이온(다른 핵 동위원소)을 가진 물질이 더 낮은 초전도 전이 온도를 갖는다는 것을 보여주었다. 이는 쿠퍼 쌍 이론으로 설명할 수 있는데, 더 무거운 이온은 전자가 끌어당기고 움직이기 어렵게 하므로(쿠퍼 쌍이 형성되는 방식), 쌍의 결합 에너지가 더 작아진다.

응집물질물리학자들은 전자–엑시톤 상호 작용 또는 전자–플라즈몬 상호 작용과 같은 다른 매력적인 상호 작용을 기반으로 하는 쿠퍼 쌍 형성 메커니즘을 제안했다. 하지만, 현재까지 이러한 다른 페어링 상호 작용은 어떤 물질에서도 관찰되지 않았다.

참조

_[1] 논문 Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas
_[2] 웹사이트 Cooper Pairs http://hyperphysics.[...] Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. 2008-07-24
_[3] 논문 Spatial Structure of the Cooper Pair
_[4] 서적 Quantum Theory of Conducting Matter https://archive.org/[...] Springer Publishing
_[5] 서적 Lectures on Physics, Vol.3 https://archive.org/[...] Addison–Wesley
_[6] 웹사이트 Cooper Pairs of Bosons http://www.optical-l[...] 2009-09-01
_[7] 웹사이트 The BCS Theory of Superconductivity http://hyperphysics.[...] Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. 2008-07-24
_[8] 논문 Bose-Einstein Condensation of Trapped Electron Pairs. Phase Separation and Superconductivity of Metal-Ammonia Solutions American Physical Society (APS) 1946-02-01
_[9] 문서 Encyclopedic dictionary of condensed matter physics Academic Press
_[10] 서적 Cooperative Phenomena https://archive.org/[...] Springer Berlin Heidelberg
_[11] 논문 Concept of Off-Diagonal Long-Range Order and the Quantum Phases of Liquid He and of Superconductors American Physical Society (APS) 1962-09-01
_[12] 논문 Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas
_[13] 웹사이트 Cooper Pairs http://hyperphysics.[...] Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. 2008-07-24
_[14] 논문 Spatial Structure of the Cooper Pair
_[15] 서적 Quantum Theory of Conducting Matter https://archive.org/[...] Springer Publishing
_[16] 서적 Lectures on Physics, Vol.3 https://archive.org/[...] Addison–Wesley
_[17] 웹사이트 Cooper Pairs of Bosons http://www.optical-l[...] 2009-09-01
_[18] 웹사이트 The BCS Theory of Superconductivity http://hyperphysics.[...] Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. 2008-07-24
_[19] 논문 Bose-Einstein Condensation of Trapped Electron Pairs. Phase Separation and Superconductivity of Metal-Ammonia Solutions American Physical Society (APS) 1946-02-01
_[20] 문서 Encyclopedic dictionary of condensed matter physics Academic Press