Qu'est-ce qu'une paire de Cooper ? Une paire de Cooper définit une paire d'électrons qui se lient d'une manière spécifique à basse température pour permettre le passage sans résistance électrique à travers un matériau supraconducteur. Ce concept est au cœur de la supraconductivité, un état de la matière où la résistance électrique chute à zéro et où le champ magnétique est expulsé du matériau.
Qu'est-ce qu'une paire de Cooper ?
Une paire de Cooper désigne une paire d'électrons qui se lient d'une manière particulière à basse température pour permettre aux électrons de traverser un matériau supraconducteur sans résistance électrique. Ce concept est au cœur de la supraconductivité, un état de la matière où la résistance électrique chute à zéro et où un champ magnétique est expulsé du matériau.
Points clés sur les paires de Cooper
Mécanisme de formation
Dans les métaux ordinaires, les électrons se repoussent mutuellement en raison de leur charge négative. Cependant, dans les matériaux supraconducteurs, deux électrons se lient pour former un état lié, une paire de Cooper, grâce à une interaction attractive médiée par les vibrations du réseau (phonons). Cette appariement est contre-intuitif car il résulte d'une attraction effective plutôt que de la répulsion habituelle.
Propriétés quantiques
Bien que les électrons soient des fermions (particules qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli et ne peuvent pas occuper le même état quantique), les paires de Cooper se comportent comme des bosons. Cela permet à de nombreuses paires de Cooper d'occuper le même état fondamental, conduisant à un état quantique macroscopique qui se déplace sans diffusion, ce qui entraîne une résistance électrique nulle.
Rôle dans la supraconductivité
La formation de paires de Cooper est le mécanisme fondamental à l'origine de la supraconductivité.
Lorsque les électrons s'apparient en paires de Cooper, ils se condensent en un seul état quantique cohérent. Ce comportement collectif permet aux électrons de circuler sans résistance à travers le matériau, ce qui constitue la caractéristique de la supraconductivité.
Vision et contributions futures pour l'industrie
La compréhension du concept des paires de Cooper et de la supraconductivité a des implications considérables pour les avancées technologiques futures et les applications industrielles.
Comment les paires de Cooper contribuent-elles à l'industrie du futur ?
-Calcul quantique
Les matériaux supraconducteurs exploitant le principe des paires de Cooper sont essentiels au développement des ordinateurs quantiques. Les qubits supraconducteurs (les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques) utilisent les propriétés quantiques des paires de Cooper pour effectuer des calculs à une vitesse impossible à atteindre avec les ordinateurs classiques. Ce domaine est en plein essor et devrait révolutionner des industries telles que le cryptage, l'optimisation, la découverte de médicaments et les simulations complexes.
Efficacité énergétique :
Les supraconducteurs peuvent transporter de l'électricité sans perte d'énergie. Cette propriété conduit à des lignes de transmission d'électricité extrêmement efficaces, ce qui permet de réduire les pertes d'énergie qui se produisent actuellement dans les réseaux électriques. La mise en œuvre de câbles supraconducteurs révolutionnerait la façon dont l'électricité est distribuée et utilisée, conduisant à des pratiques énergétiques plus durables et potentiellement à une diminution du coût de l'énergie.
Technologies médicales
Les aimants supraconducteurs, qui reposent sur le fonctionnement des paires de Cooper, sont un élément essentiel des appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les progrès de la supraconductivité pourraient conduire à des appareils d'IRM plus puissants et plus efficaces, améliorant ainsi les capacités de diagnostic et étendant les possibilités des techniques d'imagerie médicale.
Transport
L'utilisation de supraconducteurs dans les trains à sustentation magnétique (magnétique) est un autre domaine où les paires de Cooper jouent un rôle crucial. Ces trains flottent au-dessus des rails, éliminant le frottement et permettant un transport plus rapide et plus efficace. Le développement de cette technologie pourrait révolutionner l'industrie du transport, offrant une alternative plus rapide et plus économe en énergie que les systèmes ferroviaires traditionnels.
Recherche scientifique avancée
Les matériaux supraconducteurs sont utilisés dans divers équipements scientifiques, notamment les accélérateurs de particules tels que le LHC (Large Hadron Collider). Ces équipements sont essentiels pour améliorer notre compréhension de la physique fondamentale et peuvent conduire à de nouvelles découvertes qui pourraient avoir des implications dans divers domaines technologiques.
Qu'est-ce qu'une paire de Cooper ? Une paire de Cooper définit une paire d'électrons qui se lient d'une manière spécifique à basse température pour permettre le passage sans résistance électrique à travers un matériau supraconducteur. Ce concept est au cœur de la supraconductivité, un état de la matière où la résistance électrique chute à zéro et où le champ magnétique est expulsé du matériau.
Origine de la théorie des paires de Cooper
Le concept de paires de Cooper est né de la théorie BCS de la supraconductivité, développée en 1957 par trois physiciens américains : John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer. La théorie BCS, nommée d'après les initiales de ses auteurs, est une étape importante dans le domaine de la physique de la matière condensée qui explique le mécanisme microscopique à l'origine de la supraconductivité des supraconducteurs conventionnels (à basse température).
1. Contexte historique
Avant le développement de la théorie BCS, en 1911, Heike Kamerlingh Onnes découvrit la supraconductivité en observant que le mercure présentait une résistance électrique nulle à très basse température. Cependant, la cause fondamentale de la supraconductivité est restée un mystère pendant des décennies. Diverses tentatives ont été faites pour expliquer ce phénomène, mais les physiciens n'ont pas pu proposer une théorie satisfaisante avant le milieu du XXe siècle.
2. Contribution de Leon Cooper : les paires de Cooper
Leon Cooper a apporté une contribution décisive à la compréhension des supraconducteurs avec le concept de paires de Cooper. Il a découvert qu'à basse température, les électrons d'un métal pouvaient former des paires, aujourd'hui connues sous le nom de paires de Cooper, malgré leur tendance naturelle à se repousser mutuellement en raison de leur charge négative.
Formation des paires de Cooper : Cooper a démontré mathématiquement que même une faible interaction attractive entre les électrons pouvait conduire à un état lié ou à une paire de Cooper. Cette paire se produit dans l'espace des moments et implique deux électrons se déplaçant avec des moments et des spins opposés, formant ainsi une paire ayant un moment et un spin nuls, ce qui la distingue fondamentalement d'une liaison chimique.
3. Théorie BCS : un cadre complet
La théorie BCS a étendu le concept de Cooper pour fournir une explication microscopique complète de la supraconductivité.
Condensation des paires de Cooper : selon la théorie BCS, en dessous d'une température critique, un grand nombre de paires de Cooper se condensent en un seul état quantique macroscopique. Cette condensation est similaire à la formation d'un condensat de Bose-Einstein, mais elle implique des paires de fermions (électrons) qui se comportent comme des bosons. Étant donné que les paires de Cooper sont bosoniques, elles peuvent toutes occuper le même état fondamental quantique sans résistance.
Gap d'énergie : la théorie BCS a également introduit le concept de gap d'énergie (gap supraconducteur) dans le spectre d'excitation des électrons. Cette bande interdite empêche les électrons d'être diffusés par les impuretés ou les vibrations du réseau, ce qui empêche en fin de compte la résistance électrique. L'énergie nécessaire pour briser une paire de Cooper et créer une excitation à un électron unique définit cette bande interdite.
Résistance électrique nulle et effet Meissner : cette théorie a expliqué avec succès les deux principaux phénomènes de la supraconductivité.
Absence de résistance électrique : les paires de Cooper se déplacent de manière cohérente sans diffusion, ce qui empêche toute perte d'énergie.
Effet Meissner : phénomène d'expulsion du champ magnétique à l'intérieur d'un supraconducteur, également expliqué par la théorie BCS.
Pour leurs travaux révolutionnaires sur le développement de la théorie BCS de la supraconductivité, John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer ont reçu le prix Nobel de physique en 1972. Leur théorie a jeté les bases d'une grande partie de notre compréhension actuelle de la physique de la matière condensée et a joué un rôle essentiel dans le développement de nombreuses applications technologiques liées aux supraconducteurs.
Conclusion
La théorie des paires de Cooper et son intégration dans la théorie BCS constituent l'une des réalisations les plus importantes de la physique théorique. Elle a permis de percer le mystère de la supraconductivité qui avait déconcerté les scientifiques pendant près d'un demi-siècle, offrant une nouvelle compréhension des phénomènes quantiques à l'échelle macroscopique. Cette théorie continue d'influencer la recherche en physique, en science des matériaux et en ingénierie, et elle reste la pierre angulaire des futurs développements des technologies et des applications de la supraconductivité dans divers domaines, tels que l'informatique quantique, l'imagerie médicale et le transport d'énergie.
==================
Choi Bong-hyeok, chroniqueur - Expérience professionnelle
(Expert en ESG, RE100, transformation numérique, IA et convergence, expert en formation à la sensibilisation au handicap en milieu professionnel)
Vice-président de la Korean AI & ESG Education Association
Administrateur de la Korean Purchasing and Procurement Society
Administrateur de la Korean Association of Journalism and Information Technology
Éditeur de Sports People Times
Éditeur du journal de sensibilisation au handicap
Fédération coréenne des organisations culturelles et artistiques pour personnes handicapées
Vice-président du Comité des politiques culturelles et artistiques
Formateur spécialisé en sensibilisation au handicap en milieu professionnel
• Représentant de Sports People Times