갭 에너지와 결합 에너지

초전도체는 절연체보다 금속에 훨씬 더 가깝기 때문에 에너지 갭이 없을 것이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 당신은 틀릴 것입니다. Rolfe Glover와 Michael Tinkham은 1956년 우아한 실험에서 초전도체를 적외선에 노출시켰고, 적외선 에너지가 특정 임계값보다 높으면 초전도체가 방사선을 매우 효과적으로 흡수하지만 임계값 미만이면 하지 않았다. 이것은 초전도체의 캐리어가 마치 에너지 갭이 있는 것처럼 행동한다는 매우 좋은 증거입니다. 무슨 일인가?

Cooper 쌍의 아이디어는 이것을 이해하는 방법을 제공합니다. 초전도 갭 에너지는 Cooper 쌍을 분해하기 위해 지불해야 하는 패널티입니다. 쌍이 결합되어 있기 때문에 결합 에너지라고 하는 특정 양의 에너지가 쌍을 분해하는 데 필요하며 이는 초전도 갭으로 알려진 것으로 이어집니다. 일반 금속에서는 전자를 여기시키기 위해 임의로 적은 양의 에너지를 전자에 제공할 수 있습니다. 초전도체에서는 결합 에너지와 동일한 양의 에너지를 공급할 때까지 아무 일도 일어나지 않으며 일단 그 간극을 연결하면 해당 에너지가 흡수될 수 있습니다. 이 효과는 초전도체가 전자기파를 반사하는 방식을 살펴봄으로써 측정할 수 있습니다. 파동의 에너지(주파수에 의해 결정됨)가 갭 에너지보다 작은 경우 파동은 흡수되지 않고 초전도체에서 곧바로 반사됩니다. 그러나 에너지가 충분히 커지면 초전도 쌍이 분리되어 에너지가 흡수됩니다.

BCS 이론

쿠퍼가 전자 쌍의 메커니즘을 깨뜨렸지만 초전도 상태를 완전히 이해하려면 아직 갈 길이 멀었습니다. 쿠퍼는 무한 금속에서 한 쌍의 전자만 가지고 작업했습니다. 이것을 금속의 모든 전자에 어떻게 일반화할 수 있는지는 분명하지 않았습니다.
또 다른 장애가 발생했습니다. Cooper의 결과는 매우 암시적이었지만 BCS 팀은 초전도체에서 예상되는 전자 쌍의 수를 계산했습니다. 한 쌍의 전자는 파동함수로 표현되며, 이 파동함수는 기본적으로 쌍의 전자 사이의 평균 거리인 Pippard의 결맞음 길이에 의해 주어진 크기를 가진 작은 부피에 대해 결맞음이라고 가정했습니다. 그러나 그들은 그 작은 부피 내에서 약 백만 개의 다른 쌍이 발견될 것이라고 추정했습니다.

이것은 간단한 이론을 만드는 데 나쁜 소식이었습니다. 그들은 이따금씩 여기 저기에서 폭스트롯을 하는 커플이 있는 다소 비어 있는 댄스 플로어와 같은 모델을 구성할 수 있도록 쌍이 잘 분리되어 있는 것을 선호합니다. 그 상황은 이론적으로 다루기가 훨씬 쉬웠습니다. 그들이 실제로 가지고 있는 것은 두근거리는 수많은 댄서들로 가득 찬 꽉 찬 댄스 플로어였지만, 개별 댄스 페어의 두 멤버는 각각 방의 반대편에 있을 수 있습니다! 그렇게 많은 다른 무용수들이 가로막고 있을 때 이 고도로 분리된 쌍의 개별 무용수들이 서로 보조를 맞추며 춤을 추게 하는 것은 도대체 무엇입니까? 전자로 돌아가서, 그들의 걱정은 쌍이 너무 강하게 겹쳐서 그들 모두를 초전도 상태로 결합시키는 메커니즘이 쌍 사이의 모든 충돌에 의해 중단되고 이로 인해 쌍이 분리될 것이라는 점이었습니다.

독립 전자 모델

결정적인 돌파구는 Robert Schrieffer에게 찾아왔고 분명히 그는 뉴욕 지하철에서 문제에 대해 생각하는 동안 그를 강타했습니다. 갑자기 그는 초전도 상태를 설명하는 파동함수를 기록하는 방법을 깨달았고 놀랍게도 물질의 모든 전자를 함께 고려해야 했습니다. 더 이상 기존 고체 물리학 의 중심이었던 독립 전자 모델에 의존 할 수 없었습니다. 전자를 한 번에 하나씩 , 마치 각각 독립된 독립체처럼 행동하는 것처럼 생각할 수 있었습니다. 초전도 상태에서는 엄청난 수의 전자가 마치 각각이 더 크고 분리할 수 없는 전체의 일부인 것처럼 협력하여 행동했습니다. Schrieffer는 문제를 해결한 세 명의 과학자 Bardeen, Cooper 및 Schrieffer의 이름을 따서 명명된 BCS 파동함수로 알려진 것을 발견했습니다.