Cooper-Paar

Als Cooper-Paare werden paarweise Zusammenschlüsse von beweglichen Elektronen in speziellen Materialien bezeichnet. Sie treten bei sehr tiefen Temperaturen auf und sind Voraussetzung für den supraleitenden Zustand dieser (metallischen oder keramischen) Materialien. Das Phänomen der Cooper-Paar-Bildung ist nach der Erstbeschreibung im Jahr 1956 durch Leon Neil Cooper benannt^[1] und erhält in der BCS-Theorie der Supraleitung grundlegende Bedeutung.

Allgemeiner betrachtet handelt es sich um Paare in fermionischen Vielteilchensystemen, bei denen zwei gepaarte Fermionen ein „zusammengesetztes Boson“ ergeben. Das gleiche Phänomen tritt dadurch auch in anderem Zusammenhang auf, nämlich zwischen jeweils zwei Atomen im supraflüssigen Zustand von ³He unterhalb einer Temperatur von 2,6 mK;^[2] dagegen gibt es im supraflüssigen Zustand von ⁴He keine Cooper-Paare, da hier die Atome Bosonen sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Bildung von Cooper-Paaren liegt in der Kondensation ultrakalter fermionischer Gase geringer Dichte mit Methoden der Atomphysik, vergleichbar der Bose-Einstein-Kondensation bosonischer Gase.^[3]

Auch bei der 1986 entdeckten Hochtemperatursupraleitung scheinen Cooper-Paare im Spiel zu sein, wie experimentelle Belege zeigen.^[4] Jedoch ist der zur Paarbildung führende Bindungsmechanismus der beiden Elektronen in diesem Fall trotz jahrelanger Bemühungen noch unklar, im Gegensatz zu den seit über 100 Jahren bekannten konventionellen Supraleitern, wie sie weiter unten beschrieben werden, bei denen Phononen die Paarbildung bewirken.

1. ↑ Leon N. Cooper: Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas. In: Physical Review. 104. Jahrgang, Nr. 4, 1956, S. 1189–1190, doi:10.1103/PhysRev.104.1189 (englisch). 
2. ↑ Osheroff DD, Richardson RC, Lee DM: Evidence for a new phase in solid ³He. In: Phys. Rev. Lett. 28. Jahrgang, Nr. 14, 1972, S. 885–888, doi:10.1103/PhysRevLett.28.885 (englisch). 
3. ↑ C. A. Regal et al.: Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs. In: Physical Review Letters. 92. Jahrgang, Nr. 4, 2004, S. 040403, doi:10.1103/PhysRevLett.92.040403 (englisch). 
4. ↑ Cooper-Paar-Bildung in Hochtemperatursupraleitern behandelt der folgende Artikel: Hochtemperatur-Supraleitung konventioneller als gedacht. In: mpg.de. 3. Mai 2004, abgerufen am 17. Januar 2023.