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時空 解 さんの日記

カテゴリー [物理] 
 
2019
11月 18
(月)
09:25
超電導状態とは…まずは「BCS理論」電子2個が対を組む → クーパー対 → ボーズ凝縮
本文
皆さん、おはようございます。時空 解です。
 
「一般社団法人 日本物理学会」の JPSJ注目論文 を覗いていたら、超伝導体に付いて書かれた論文がありました。
 
この論文の内容は、古くから知られている超伝導体とはまた違った、新しい超電導体の発見方向に付いて書かれている論文です。
新しい超電導物質を合成するためには、まず超伝導体の母物質となる LaOFeAs の電子状態をキチンと把握することが必要なようですが、ともかくこの LaOFeAs をベースにした新しい超電導物質の可能性が予言されています。これは1985 年後半での 銅酸化物高温超伝導体の発見に次ぐ、第二の超伝導フィーバーを引き起こしているそうな…。汗

論文の後半部分が個人的には全くわからなかったのですが、理解するための取っ掛かりはなんとか調べてみました。母物質となる LaOFeAs の電子状態の研究を見る前に、以前からあった超伝導体の理論、BCS理論の理解が必要なようです。( まぁ当たり前のアプローチですが… )
 
そんな理由でちょっと BCS理論について調べてみましたので、今日はそれに付いて書いてみます。
 
まずは Wikipedia から BCS理論を見てみましょう。
BCS理論:概要

 
ここで大切なのは "フォノン" と言う単語です。ここに超電導体の本質があるようですね。Wikipedia 以外にも、参考となるサイトも見つけましたのでご紹介しておきます。 
 
超伝導状態を発現するための物質の機構には、どうも電子が2つ、対になる必要があるようです。
これをクーパー対と呼ぶようですが…それが観測されるのでしょう。
従って新しく超伝導体を作る時には電子が2つ対をなすような、そんな機構が必要なんだと言うことです。

そこでハタと思いました。 うーむ

電子はマイナスなのに、そのマイナス同士の粒子が対になるのかなぁ…?と言うことです。
上記の論文には、その事に関しても明快な答えが書かれていました。これが今日、私が学んだ大きな点です。
明快な答えの部分を下記の書き出してみましょう。
電子同士は元々クーロン斥力が存在するので、そのままではクーパー対を形成することが出来ません。 超伝導状態においては、電子間のクーロン斥力を有効的に引力にする必要があります。BCS理論においては、この引力の形成機構としてフォノンを取り上げました。 負の電荷を持つ電子が、正の電荷を持つ原子核が並んだ結晶中を運動すると、結晶格子に歪みが起こります(フォノン)。 歪んだ部分においては他の部分に比べて正の電荷に偏っているので、別の電子がその偏った場所に有効的な引力を感じます。 つまり、電子間には、フォノンを媒介として有効的な引力が働いていることになります。
フォノンなんていう "仮想的な粒子" と言う考え方があったんですね。

どうやら光もこのフォノン的な粒子で説明されるようです。光子と言うのは質量がありませんから "仮想的" ともいえるのでしょう。
数学と同時に、量子力学に付いてもどんどんと学習して行く必要を感じた今日でした。
 
参考に、今日の内容に関連した基本的に粒子に付いてもリンクを通しておきました。参照してみて下さい。
 
電子はフェルミ粒子
 
2対になるとボソン粒子
 
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