전자-포논 결합

이것은 여전히 매력적인 상호 작용이 무엇인지에 대한 문제를 해결하지 못했습니다. 기존의 통념에 따르면 ‘유사한 전하가 반발’하므로 두 전자 사이에 쿨롱 반발이 있어야 하는데 두 전자가 짝을 이루는 원인은 무엇입니까? Bardeen, Cooper 및 Schrieffer는 솔루션이 전자-음자 상호 작용, 즉 결정 격자에서 전자와 진동 사이의 상호 작용과 관련될 수 있음을 깨달았습니다. 격자 진동은 일종의 입자로 생각하는 것이 도움이 되는 것으로 밝혀지고 물리학자들은 입자 이름이 ‘-on’으로 끝나는 것을 지정하는 경향이 있기 때문에 ‘포논’으로 알려져 있습니다.

앞서 언급했듯이 전자-포논 상호작용은 이미 Frohlich와 Bardeen 및 Pines에 의해 연구되었습니다. 결정 격자의 이러한 진동인 포논이 전자 짝짓기와 쿨롱 반발력을 극복하는 역할을 할 수 있습니까?
양전하 이온의 격자(상단 패널). 초전도체에서 음으로 하전된 전자는 통과하면서 양으로 하전된 이온의 격자를 왜곡합니다(중간 패널). 무거운 이온은 반응하는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문에 Cooper 쌍의 두 번째 전자가 통과하는 데 도움이 되는 과도한 양전하가 여전히 있습니다(하단 패널).

상호 작용

전자는 서로 반발할 뿐만 아니라 금속의 양전하를 띤 이온에 끌리기 때문에 전자는 이온을 약간 끌어당겨 주변의 이온을 왜곡시킵니다. 더 무거운 이온은 빠르고 민첩한 전자가 윙윙거리는 것보다 반응하는 데 더 오래 걸리므로 전자가 떠난 후에도 왜곡이 잠시 동안 지속됩니다. 이 지속적인 왜곡은 본질적으로 약간의 양의 변화 영역이며 두 번째 전자가 첫 번째 전자에 끌리고 그 주변의 양전하 이온의 왜곡을 초래할 수 있습니다.
이온의 왜곡은 포논(격자 진동)과 같은 종류의 동물이므로 이 그림은 전자-포논 상호 작용이 페어링으로 이어질 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.

이 아이디어는 초전도성에 대한 가장 초기의 미스터리 중 하나를 해결합니다. 왜 초전도체가 불량한 전도체인 금속(납, 주석, 수은)에서 발생하고 양호한 전도체인 금속(금, 은, 구리)에서는 발생하지 않았습니까? 초전도체가 되는 데 ‘ 더 가깝다’ 고 생각 하세요. 좋은 금속에서 전자와 포논은 서로 약하게 상호 작용하므로 전자의 전도는 포논의 산란에 의해 크게 방해받지 않습니다. 그러나 이러한 전자-포논 결합의 약점은 초전도성이 불가능하다는 것을 의미합니다. 나쁜 금속의 경우 강한 전자-포논 결합은 고온에서 산란 가능성을 높이지만 저온에서는 초전도 상태를 형성하는 경향을 증가시킵니다.

에너지 갭

금속과 절연체 사이의 큰 차이점 중 하나는 후자 종류의 재료에 에너지 갭이 있다는 것입니다. 에너지 갭이란 무엇입니까? 이것은 절연체에서 전자를 이동시키려면 지불해야 하는 에너지 비용입니다. 금속의 경우 비용은 본질적으로 없으며 전자는 자유롭게 움직입니다. 1장에서 나는 미풍에 의해 날아가는 벌 떼에 인가된 전압으로 인해 금속 내 전자 가스의 움직임을 좋아했습니다. 바람이 아주 아주 부드럽더라도 꿀벌의 구름은 아주 천천히 흐르더라도 여전히 표류할 것입니다.

대조적으로, 절연체의 전자는 바위에 단단히 붙어 있는 삿갓조개와 훨씬 더 비슷합니다. 이 삿갓조개는 미풍이나 강한 바람에도 영향을 받지 않습니다. 삿갓조개를 이동시키려면 암석에서 강제로 삿갓조개를 꺼내기 위해 에너지 비용을 지불해야 합니다(이것은 단지 ‘사고 실험’일 뿐이며 이 비유를 만드는 동안 삿갓조개는 해를 입지 않았습니다). 림펫을 풀기 위한 이러한 노력은 절연체의 에너지 갭과 유사합니다.