Et Cooper-par består av to elektroner som ved lave temperaturer danner en bundet tilstand.

I teorien for superledning (BCS-teori), er et Cooper-par den fundamentale enheten som forårsaker de superledende egenskapene til et materiale. Disse elektronparene er oppkalt etter fysikeren Leon N. Cooper.

Konseptet ble først foreslått av i 1956 hvor det ble teoretisk vist av Cooper at to elektroner som vekselvirker attraktivt i et metall vil kunne danne et såkalt Cooper-par. I tillegg til å ha en fundamental rolle i beskrivelsen av superledende materialer, er Cooper-par avgjørende i beskrivelsen for superfluiditet i fermioniske systemer slik som helium-3 hvor parene dannes av atomer istedet for elektroner.

Betrakt elektron A som beveger seg gjennom et krystallgitter med ioner. Siden disse har positiv ladning, vil elektronet temporært forstyrre gitterstrukturen og forårsake en tiltrekning av atomkjernene (midten av bildet) slik at en oppsamling av positiv ladning oppstår. Dette vil i sin tur tiltrekke et annet elektron B, som har negativ ladning, og på denne måten har de to elektronene effektivt sett vekselvirket på en attraktiv måte. 

Attraktiv vekselvirkning mellom elektroner i et krystallgitter. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

Elektroner vekselvirker repulsivt på grunn av Coulomb-vekselvirkningen. Når elektroner beveger seg i et fast stoff, vekselvirker de i tillegg med såkalte fononer som oppstår på grunn av vibrasjoner i krystallgitteret. En kvantemekanisk beregning viser at netto vekselvirkning mellom to elektroner på denne måten kan bli attraktiv under bestemte forhold.

Et forenklet fysisk bilde av dette kan oppnås ved å først betrakte et elektron som beveger seg gjennom et krystallgitter med ioner (se figuren). Siden atomkjernene (ionene) har positiv ladning, vil elektronet temporært forstyrre gitterstrukturen og forårsake en tiltrekning av atomkjernene slik at en oppsamling av positiv ladning oppstår. Dette vil i sin tur tiltrekke et annet elektron, som har negativ ladning, og på denne måten har de to elektronene effektivt sett vekselvirket på en attraktiv måte. 

I den opprinnelige BCS-teorien, hvor Cooper-par er ansvarlige for de superledende egenskapene til et materiale, dannes paret av elektroner med motsatt retning av bevegelsesmengden og motsatt retning av spinn. På grunn av Pauli-prinsippet er det nødvendig at elektronene i Cooper-paret ikke befinner seg i samme kvantetilstand. I ferromagnetiske superledere, oppdaget tidlig på 2000-tallet, har elektronene i Cooper-parene samme spinn-retning slik at de kan eksistere i et magnetisk bakgrunnsfelt. BCS-teori kan generaliseres til å inkludere Cooper-par med ulike spinn-konfigurasjoner.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.