Cooper çifti

Yoğun madde fiziğinde, Cooper iletken çifti veya bina kontrol sistemi (BCS) iletken çiftinin belli koşullarda düşük sıcaklıkla sınırlanmasının elektron iletkeni olduğu ilk kez 1956 yılında Amerikalı fizikçi Leon Cooper tarafından tanımlanmıştır. Metal bir kapta elektronlar arasında rastgele küçük bir etkileşimin Fermi enerjiden daha düşük bir enerji imkânı sağlayan ikili elektronların durumuna sebep olduğunu ve bu ikililik durumunun sınırlı olduğunu gösterdi. Konvensiyonel süper iletkenlerde, bu etkileşim elektro-fonondan kaynaklı olmasıdır. Cooper çifti için süper iletkenlik, 1979 yılında Nobel ödülü alan John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer tarafından ilerletilmiş BCS teorisinde tanımlanmıştır.

Cooper iletken çiftinde kuantum etkisi olmasına karşın, bu sebep kolaylaştırılmış klasik tanım kalıbında gözükebilir. Metal içindeki elektron normal olarak serbest parçacık olarak hareket eder. Elektron negatif yüklü olduğundan diğer elektronları iter ancak metalin sert tabakasında meydana gelen pozitif iyonları da çeker. Bu çekim iyon örgüsünün şeklini değiştirir, elektron doğrultusunda iyonlar yavaşça hareket eder ve etrafta oluşan pozitif yükün örgü öz kütlesi artar. Bu pozitif yük diğer elektronları çekebilir. Uzak mesafelerde elektronlar arasında bu çekim bulunduğu yerden çıkarılan iyonlardan dolayı elektronlar arasındaki itmeyi ortadan kaldırabilir ve negatif yükten dolayı bu elektronların bir çift haline gelmesine neden olur. Bu sert kuantum mekanik açıklaması bu etkinin elektro-fonon etkileşiminden kaynaklandığını gösterir.

Bu ikili etkileşim enerjisi, düşük eV’den dolayı oldukça zayıftır ve termal enerji bu ikilileri kolay şekilde koparabilir. Bundan dolayı, düşük sıcaklıklar Cooper iletken çiftindeki elektron sayısı için oldukça büyük faktördür. İkili içinde elektronlar bir araya gerekli şekilde gelmezler çünkü etkileşim uzun bir aralıktadır. Çift haline gelen elektronlar yüzlerce nanometre uzakta ve hala bir arada olabilir. Bu mesafe genellikle ortalama etkileşimden daha büyüktür. Bundan dolayı çoğu Cooper ikilisi aynı boşlukta olabilir. Elektronlar -1/2 dönüye sahiptir ve fermiyonlardır. Ancak Cooper iletken çifti bozonun toplam tam sayı dönüsü miktarından sıfır veya bir bozon bileşimidir. Bu dalga fonksiyonları parçacıkların yer değiştirmesinin altında simetrik şekil alır ve bunların aynı yerde kalmasına izin verilir. Bu eğilim tüm Cooper çift iletkenleri için bir bütün olarak süper iletkenlerin özel özellikleri için geçerli olan aynı kuantum zemin durum yoğunlaştırılmasını sağlar.

BCS teorisi helyum-3 gibi diğer fermiyon sistemleri için de uygulanır. Aslında Cooper iletken çifti helyum-3‘ün düşük sıcaklıklarda süper akışkanlığında görev alır. Ayrıca Cooper iletken çiftinin iki bozondan meydana geldiği de son zamanlarda gösterilmektedir. Burada, iletken çifti optik örgüsünün içinde dolaşımı ile desteklenir.

Cooper esasında yalnızca metal içinde yalıtılmış iletken çift formunu göz önünde bulundurmuştu. Çok elektronik iletken çift form durumlarının daha gerçek durumu düşünüldüğünde, BCS teorisi içinde açıklanır ve izin verilen elektronların enerji durumunun devamlı olan spektrumda bir ara açılır. Bu sistemdeki tüm uyarılmalar minimum enerji miktarında olmalıdır. Bu oluşan ara, süper iletkenliğe sebep olur çünkü elektronların yayılımının yasaklanması gibi uyarılar vardır. Bu oluşan aranın elektronlar arasında oluşan çekimden kaynaklı vücuda çok büyük etkileri vardır.

Herbert Fröhlich metal üzerinde örgü titreşimleri ile elektronların çift iletken ve çiftli şekilde hareket edebileceğini ilk öneren kişidir. Bu süper iletkenlerde izotop etkisi ile gösterilir. Bu izotop etkisi süper iletkenlik, ağır iyonlar, farklı nükleer izotoplar, ile maddelerin iletim sıcaklığına sahip olduğunu göstermiştir. Bu durum Cooper iletken çifti ile açıklanabilir. Ağır iyonların hareket etmesi zor olduğundan, bu iyonlar elektronları daha az olarak çeker ve sonuç olarak Cooper iletken çiftleri için daha az bir bağıntı ile bağlanır.

Cooper iletken çift teorisi genelde oldukça fazladır ve belirli bir elektron-fonon etkileşimine bağlı değildir. Yoğunlaştırılmış madde teorileri ise elektron, uyarım etkileşimleri veya plazmon elektron etkileşimi gibi diğer çekim etkileşimlerine bağlı iletken çift mekanizmalarını ileri sürmektedir. Şu anda ise herhangi bir metalde alternatif iletken çift etkileşimlerinin hiçbiri şu anda görülmemektedir.