物性物理学
超伝導とBCS理論
BCS模型を調べます。反対スピンの電子二つからなるクーパー対が凝縮し、励起スペクトル にギャップ を開きます。T/Tc と対密度を変え、転移温度で が閉じる様子を観察します。
器具
- 逆向きスピンの電子対を持つ仮想結晶格子
- 温度スライダー T/Tc
- 対密度スライダーと模型パラメータ
- 励起スペクトル $E(k)=\sqrt{\xi^2+\Delta^2}$ のグラフと $\Delta(T)/\Delta(0)$ の読み出し
手順
クーパー対とギャップを観察する
T/Tc を低く（約0,2）設定します。キャンバスに逆向きスピンの電子対が安定に現れ、スペクトル図はフェルミ準位まわりの禁制領域を示します。準粒子の励起には最低でも のエネルギーが要ります。
転移温度をまたいで昇温する
T/Tc を 0 から 1 を越えるまで上げます。読み出し は Tc で 0 に下がり、対が壊れてギャップが閉じ、金属は常伝導に戻ります。いくつかの点 (T/Tc, Δ/Δ(0)) を記録してギャップ曲線を描きます。
対密度を変えて予測する
T/Tc を 1 未満に固定して対密度スライダーを下げると、対が減るほど模型ではギャップが浅くなります。密度 → 0 のときのスペクトルを予測し、自由放物線 に戻ることを確かめます。
シミュレーション
実験の歴史
ヘイケ・カメルリング・オネスはヘリウムを液化（1908年）した後、1911年に水銀の抵抗を測定し約4,2 Kでゼロに落ちることを発見し、「超伝導」と名づけました。1933年にヴァルター・マイスナーとロベルト・オクセンフェルトは超伝導体が磁場を排除することを示し、完全な導電だけでなく真の物質状態であることを明らかにしました。
微視的理論は1957年まで待たねばなりませんでした。ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・シュリーファーはフォノンを介した弱い引力が電子を共通のクーパー対凝縮に組み合わせることを証明し、1972年のノーベル賞を得ました。予言されたギャップ は赤外分光とアイバー・ギーバーのトンネル実験（1960年）で確認されました。