زوج كوبر

في فيزياء المادة المكثفة ، يُعرف زوج كوبر أو زوج BCS ( زوج باردين-كوبر-شريفر ) بأنه زوج من الإلكترونات (أو فرميونات أخرى ) مرتبطة معًا عند درجات حرارة منخفضة بطريقة معينة وصفها لأول مرة الفيزيائي الأمريكي ليون كوبر عام 1956. ^{[ 1 ]} ويُعزى ازدواج كوبر للإلكترونات في بعض المواد عند درجات الحرارة المنخفضة إلى ظاهرة الموصلية الفائقة .

أظهر كوبر أن قوة تجاذب ضئيلة للغاية بين الإلكترونات في المعدن يمكن أن تتسبب في أن تكون طاقة حالة الإلكترونات المزدوجة أقل من طاقة فيرمي ، مما يعني أن الزوج مرتبط. في الموصلات الفائقة التقليدية ، يعود هذا التجاذب إلى تفاعل باردين-باينز ، وهو نوع من تفاعل الإلكترون - فونون . حالة زوج كوبر هي المسؤولة عن الموصلية الفائقة، كما هو موضح في نظرية BCS التي طورها جون باردين وليون كوبر وجون شريفر ، والتي نالوا عنها جائزة نوبل في الفيزياء عام 1972. ^{[ 2 ]}

على الرغم من أن اقتران كوبر هو تأثير كمومي، إلا أن سبب هذا الاقتران يمكن فهمه من خلال تفسير كلاسيكي مبسط. ^{[ 2 ] [ 3 ]} يتصرف الإلكترون في المعدن عادةً كجسيم حر . يتنافر الإلكترون مع الإلكترونات الأخرى بسبب شحنته السالبة ، ولكنه يجذب أيضًا الأيونات الموجبة التي تُشكل الشبكة البلورية الصلبة للمعدن. يُشوه هذا التجاذب شبكة الأيونات، مُحركًا الأيونات قليلًا نحو الإلكترون، مما يزيد من كثافة الشحنة الموجبة في الشبكة في المنطقة المجاورة. يمكن لهذه الشحنة الموجبة جذب إلكترونات أخرى. عند المسافات البعيدة، يمكن لهذا التجاذب بين الإلكترونات الناتج عن الأيونات المُزاحة أن يتغلب على تنافر الإلكترونات بسبب شحنتها السالبة، مما يؤدي إلى اقترانها. يُبين التفسير الكمومي الدقيق أن هذا التأثير ناتج عن تفاعلات الإلكترون - فونون ، حيث يُمثل الفونون الحركة الجماعية للشبكة المشحونة إيجابيًا. ^{[ 4 ]}

طاقة تفاعل الاقتران ضعيفة للغاية، في حدود 10⁻³ ^{إلكترون} فولت ، ويمكن للطاقة الحرارية أن تكسر هذه الأزواج بسهولة. لذا، فقط عند درجات الحرارة المنخفضة، في المعادن وغيرها من المواد، يكون عدد كبير من الإلكترونات مرتبطًا في أزواج كوبر. 

لا يشترط أن تكون الإلكترونات في الزوج متقاربة؛ فبسبب التفاعل بعيد المدى، قد تفصل بين الإلكترونات المزدوجة مسافة تصل إلى مئات النانومترات . عادةً ما تكون هذه المسافة أكبر من متوسط ​​المسافة بين الإلكترونات، مما يسمح للعديد من أزواج كوبر بشغل نفس الحيز. [5] للإلكترونات عزم مغزلي يساوي ½ ^{، لذا فهي} فرميونات ، لكن العزم المغزلي الكلي لزوج كوبر عدد صحيح (0 أو 1)، لذا فهو بوزون مركب . هذا يعني أن الدوال الموجية متناظرة عند تبادل الجسيمات. لذلك، وعلى عكس الإلكترونات، يُسمح لأزواج كوبر المتعددة بالتواجد في نفس الحالة الكمومية، وهو ما يُفسر ظاهرة الموصلية الفائقة.

تنطبق نظرية BCS أيضًا على أنظمة فرميونية أخرى، مثل الهيليوم-3 . ^{[ 6 ]} في الواقع، يُعزى ازدواج كوبر إلى خاصية الميوعة الفائقة للهيليوم-3 عند درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 6 ]} في عام 2008، اقتُرح أن أزواج البوزونات في شبكة بصرية قد تكون مشابهة لأزواج كوبر. ^{[ 7 ]}

إن ميل جميع أزواج كوبر في الجسم إلى " التكثف " في نفس الحالة الكمومية الأساسية هو المسؤول عن الخصائص الغريبة للموصلية الفائقة.

في البداية، اقتصرت دراسة كوبر على حالة تكوّن زوج إلكتروني معزول في المعدن. ولكن عند النظر إلى الحالة الأكثر واقعية لتكوّن العديد من الأزواج الإلكترونية، كما هو موضح في نظرية BCS الكاملة، نجد أن هذا التزاوج يُحدث فجوة في الطيف المتصل لحالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات، مما يعني أن جميع إثارات النظام يجب أن تمتلك حدًا أدنى من الطاقة. وتؤدي هذه الفجوة في الإثارات إلى الموصلية الفائقة، حيث تُمنع الإثارات الصغيرة مثل تشتت الإلكترونات. ^{[ 8 ]} وتظهر هذه الفجوة نتيجة لتأثيرات الأجسام المتعددة بين الإلكترونات التي تشعر بالتجاذب.

كان آر. إيه. أوج الابن أول من اقترح أن الإلكترونات قد تعمل كأزواج مرتبطة باهتزازات الشبكة البلورية في المادة. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد دلّ على ذلك تأثير النظائر المرصود في الموصلات الفائقة. أظهر تأثير النظائر أن المواد ذات الأيونات الأثقل ( النظائر النووية المختلفة ) تتميز بدرجات حرارة انتقال فائقة التوصيل أقل. ويمكن تفسير ذلك بنظرية اقتران كوبر: فالأيونات الأثقل يصعب على الإلكترونات جذبها وتحريكها (وهي آلية تكوين أزواج كوبر)، مما ينتج عنه طاقة ربط أقل لهذه الأزواج.

تُعدّ نظرية أزواج كوبر نظرية عامة ولا تعتمد على تفاعل الإلكترون-الفونون المحدد. وقد اقترح علماء نظرية المادة المكثفة آليات اقتران تعتمد على تفاعلات تجاذبية أخرى، مثل تفاعلات الإلكترون- الإكسيتون أو تفاعلات الإلكترون- البلازمون . وحتى الآن، لم يُرصد أيٌّ من تفاعلات الاقتران الأخرى هذه في أي مادة.

على الرغم من شيوع استخدام مصطلح أزواج كوبر ، إلا أنه من الأدقّ الحديث عن اقتران كوبر ، إذ لا تنشأ الموصلية الفائقة من ارتباط الإلكترونات الفردية لتكوين "شبه بوزونات" موضعية تتبع إحصاءات بوز-أينشتاين. بل من خلال تكوين حالة أساسية متماسكة متعددة الأجسام، تستغل الإلكترونات المساحة الطورية المتاحة على النحو الأمثل وفقًا لمبدأ استبعاد باولي. ^{[ 11 ]}

• نظرية نظام تصنيف الكفاءات (BCS)
• تأثير جوزيفسون
• تثبيت اللون والنكهة
• عازل فائق
• الموصل الفائق الطوبولوجي
• موصل فائق غير تقليدي
• زوج وحيد
• زوج الإلكترونات

• مايكل تينكهام ، مقدمة في الموصلية الفائقة ، رقم ISBN 0-486-43503-2
• شميدت، فاديم فاسيليفيتش (2013). فيزياء الموصلات الفائقة: مقدمة في الأساسيات والتطبيقات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 978-3-642-08251-1.