Amerikanerne John Bardeen, Leon N. Cooper og Robert Schrieffer fremsatte i 1957 en egentlig kvanteteori for superledning, BCS-teorien, for hvilken de fik Nobelprisen i fysik i 1972. Den tager sit udgangspunkt i, at alle naturens bestanddele ifølge kvanteteorien inddeles i to klasser, fermioner og bosoner. Fermionerne er partikler som elektroner, protoner og neutroner, der opfylder Pauliprincippet, som forbyder to identiske fermioner at være i samme kvantetilstand. Bosoner som fx fotoner har det omvendt; de foretrækker at være i samme kvantetilstand. Kun termiske forstyrrelser og stærk indbyrdes frastødning forhindrer den såkaldte Bose-Einstein-kondensation af bosoner i samme kvantetilstand.
Elektronerne i et metal er fermioner, men ved at blive bundet til hinanden kan de danne elektronpar, som vil være bosoner. Samlingen af elektronpar, de såkaldte Cooper-par, vil da kunne Bose-Einstein-kondensere, og et sådant Bose-Einstein-kondensat af ladede partikler vil være superledende. Se også kvantevæsker og superfluiditet.
I en almindelig ledning er årsagen til elektrisk modstand, at de strømbærende elektroner i deres bevægelse gennem metallet, som er opbygget af metalioner arrangeret i en gitterstruktur, bliver forstyrret ved sammenstød med fremmedatomer og termiske gitterbevægelser (fononer). Hvis de er en del af et Bose-Einstein-kondensat, vil de imidlertid ifølge kvanteteorien hurtigt finde tilbage i kondensatet, der glider gennem ledningen som en helhed.
Mekanismen, der binder to elektroner sammen i et Cooper-par, varierer for de forskellige superledere. I mange år kendte man kun den tiltrækkende kraft, der opstår mellem to partikler, når de bevæger sig i et fleksibelt medium. Med en forenklet analogi kan man forestille sig to æbler, der ligger ved siden af hinanden på et lagen. Da lagenet kan deformeres, vil de to æbler søge sammen og danne par i en fælles fordybning i lagenet. Denne teori for dannelsen af Cooper-par forklarer den såkaldte isotopeffekt, dvs. at superlederens kritiske temperatur ændrer sig på en forudsigelig måde, når metalionerne udskiftes med lettere eller tungere isotoper af det samme grundstof. Den bindende kraft afhænger nemlig af egenskaberne ved det fleksible medium; i et metal er det ionerne, der udgør mediet, og kraften ændrer sig med ionernes masse.
Med opdagelsen af høj-Tc-superlederne blev det imidlertid klart, at også andre mekanismer kan danne Cooper-par. Der findes dog endnu ikke en tilfredsstillende mikroskopisk teori for de nye superledere.
BCS-teorien har også spillet en rolle i kernefysikken, idet nukleonerne (protoner og neutroner) i visse tunge atomkerner kan danne kondenserede Cooper-par, der bindes sammen af kernekræfterne; se atomkerne.
Kommentarer
Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.
Du skal være logget ind for at kommentere.