Süperiletkenlik
Cooper çifti

Cooper çiftleri negatif elektrik yüklü elektron atom örgüsün içinden geçerken pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşime geçerse Cooper çifti oluşup atom örgüsünün şekli bozulur. Cooper çiftleri süperiletkendeki akımın taşıyıcılarıdır fonon alışverişi ile bağlı kalırlar. Fonon kristal titreşim kuantumudur. Parçalayıcısı düzen parametresiyken adını Leon Neil Cooper'dan alır.
Öncelikle, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar tek bir atoma bağlı değildir. Bunlar, aynen metallerdeki gibi malzeme içinde serbestçe dolaşan elektronlardan oluşuyor. Bazı atomların (metal atomları) en dış kabuklarındaki elektronlar atomlara diğerlerinden çok daha zayıf bağlanmıştır. Atomları bir araya koyarak malzemeyi oluşturduğunuzda, bu elektronlar bir atomdan diğerine rahatça geçerek, malzeme içinde serbestçe dolaşmaya başlarlar. Küçük bazı farklar dışında bu hareket parçacıkların boş uzaydaki hareketine oldukça benziyor. Biz bu tip malzemelere “metal” diyoruz. Süperiletkenlikte metallerde, bu serbest elektronların birbirleriyle “bir şekilde” etkileşerek Cooper çiftleri oluşturmasıyla oluşuyor. Etkileşme BCS tipi dediğimiz süperiletkenlerde, atomların titreşmesi aracılığıyla gerçekleşiyor. Yani, bir elektron çevresindeki atomların titreşmesine neden oluyor, bu titreşimler uzağa yayılıyor ve başka bir elektronun hareketini etkiliyor. Fakat elektronların etkileşmesi için bu tek bir olası mekanizma değil. Özellikle seramik süperiletkenlerde başka etkileşme mekanizmalarının olduğu düşünülüyor.
Önemli olan bir nokta bu etkileşmenin çok zayıf olması. Bunun bir sonucu, elektronların birbirlerine bağlanması için sıcaklığın çok düşürülmesi gerekiyor. Bu da, belli bir kritik sıcaklığın altında gerçekleşiyor. Kritik sıcaklık her malzeme için farklı. O malzemedeki elektronların ne kadar büyük titreşim yaratabildiklerine (BCS mekanizması için), elektron yoğunluğuna vb. birçok faktöre bağlı. Birçok malzeme için bu 1 Kelvinin bile altında, kurşun için 7K, magnezyum diborid için 39K, seramikler için daha yüksek. Şu andaki dünya rekoruna 138K ile bir seramik sahip. Ama, bütün malzemeler süperiletken olamıyor. Bunun nedeni bu malzemelerde Cooper çifti oluşturacak derecede yeterince güçlü bir etkileşmenin olmaması olabilir ya da deneysel olarak yeterince düşük sıcaklıkları henüz elde edemediğimizden de olabilir. Bazı metallerse, normal basınç altında hiçbir zaman süperiletken olamadığı halde, yüksek basınç altında ve uygun sıcaklık altında süperiletken olabiliyor (örneğin demir). Şu anda, hangi malzemenin hangi sıcaklık (ve basınç) altında süperiletken olacağını güvenilir bir şekilde söyleyebilen bir kuram yok. Süperiletkenlik alanındaki en büyük sorun, kuramların bu anlamdaki yetersizliği. Gelecekte oda sıcaklığında süperiletken olan malzemeler bulunacağı umuluyor. Ama o zamana kadar, bilim adamları güçlü soğutucularla çalışmak zorunda. Kritik sıcaklığın üzerinde bir süperiletkenin metale dönüşmesi, bu malzemelerin normalde metal olmasından kaynaklanıyor, başka bir şey değil.
Elektronlar arasındaki etkileşmenin zayıf olmasının ikinci bir sonucu, bu elektronlar bağlanıp bir Cooper çifti oluşturduklarında aralarındaki uzaklığın oldukça büyük olması. (Zayıf etkileşme => büyük uzaklık, düşük kritik sıcaklık). Diğer bir takım nedenlerden dolayı bu uzaklığa “uyum uzaklığı” deniyor ve değeri 1000 Angstrom ile bazı seramiklerde 30 Angstrom arasında değişiyor. Atomların çapının birkaç Angstrom olduğunu hatırlarsanız, bir Cooper çiftindeki iki elektron arasında yüzlerce başka elektron olduğunu görebilirsiniz. Bunun bir anlamı, bir çiftteki elektronlardan birinin rahatlıkla bağdan kurtulup başka bir çifte bağlanabilmesi olasılığı. Yani, malzeme içinde bir kere birbirlerine bağlandı mı artık ayrılmayan çiftler yerine çok daha karmaşık bir durum söz konusu. Bu nedenle süperiletkenlerin kuramsal tasviri oldukça karmaşık ve yine bu nedenle süperiletkenlikle Bose-Einstein yoğuşması arasında birebir ilişki kuramıyoruz. (Halbuki iki olay birbirine çok benziyor). Bir çifti oluşturan elektronların enerjileri aynı da olabilir, farklı da. Bağlanmayı sağlayan etkileşme çok zayıf olduğundan, çiftin bağlanma enerjisi çok düşük. Bu nedenle elektronların enerjileri de aşağı yukarı aynı olmalı; enerjileri arasında çok büyük farklar olmamalı. Elbette bu elektronlar birbirleri arasında momentum ve enerji değişimi gerçekleştiriyorlar, ama söz konusu enerjiler bağlanma enerjisine göre çok düşük. Çiftin dağılarak iki bağımsız elektrona dönüşmemesi için bunlar zorunlu.
Cooper çiftlerinin oluşmasının neden sıfır dirence yol açtığı sorusununsa basit bir cevabı yok. Standart, Bose-Einstein yoğuşması cinsinden açıklaması şöyle: Kuantum kuramına göre elektron bir fermiyondur; yani aynı kuantum durumunda bulunamayan, Pauli dışlama ilkesine uyan parçacıklar. Buna karşın çift sayıda fermiyon içeren bir sistemse bir bozondur. Bozonlar da, fermiyonların aksine aynı kuantum durumunda bulunmaya çalışır. Örneğin helyum atomu, 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan, dolayısıyla 6 fermiyondan oluşan bir bozondur. Bose-Einstein yoğuşması olayında, bozonların büyük çoğunluğu aynı kuantum durumuna girer. Bu durumda, eğer bir takım bozonlar bir yöne doğru sabit hızla hareket ediyorsa, bütün diğer bozonlar da aynı yöne doğru aynı hızla gitmek isteyecektir. Belli bir sıcaklığın altında sıvı helyumda gördüğümüz “süper akışkanlık” bu kuantum olgusundan kaynaklanıyor. Süperiletkenlerde de Cooper çiftleri bir bozon gibi davranıyor (ama, bir Cooper çiftini, değişmez bir parçacık olarak düşünmek pek doğru değil). Dolayısıyla, akım taşıyan bir durumda, bütün Cooper çiftleri aynı yönde, aynı hızla hareket etme eğiliminde. Dolayısıyla, bu akımdan bir Cooper çiftini çıkarmak (yavaşlatmak) enerji isteyen bir olay, normal dirençli metallerdeki gibi dışarıya enerji veren bir olay değil.