Nota dominical: Qué teoría es la teoría BCS

Dibujo20130211 bcs theory - cooper pair of electrons - lengths

La teoría microscópica de la superconductividad basada en pares de Cooper, llamada teoría BCS porque fue publicada por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957 [1], no es una teoría microscópica en sentido estricto, sino una teoría fenomenológica, ya que no explica cómo se aparean los electrones gracias a la interacción con los fonones (vibraciones cuánticas de la red cristalina). En el artículo original se aproxima el potencial de atracción entre los electrones por una constante y se asume que la densidad de cuasipartículas (pares de Cooper) es constante en la superficie de Fermi; ambas hipótesis son válidas sólo de forma aproximada. Hoy en día hay varias teorías “microscópicas” que explican o justifican estas aproximaciones. De hecho, la teoría microscópica de la superconductividad, stricto sensu, aún no ha sido descubierta. Por tanto, el término “teoría BCS” no se refiere a una única teoría microscópica de la superconductividad, sino que agrupa a un cierto número de teorías alternativas todas ellas fenomenológicas en cierto grado. Nos lo cuentan en detalle Alexander M Gabovich, Vladimir I Kuznetsov, “What do we mean when using the acronym ‘BCS’? The Bardeen–Cooper–Schrieffer theory of superconductivity,” Eur. J. Phys. 34: 371–382, 2013.

En la teoría BCS todos los electrones apareados constituyen un sistema colectivo con una única función de onda coherente, con lo que las propiedades de cada par de Cooper son sólo una aproximación. Cada par se comportaría como una cuasipartícula (llamada “cuasimolécula” en el artículo original) de tipo bosón, pero la individualidad de dicho par hay que ponerla en entredicho, ya que la longitud de onda de coherencia asociada a la función de onda colectiva de todos los pares es del orden del micrómetro, enorme comparada con la distancia entre átomos de la red cristalina (aunque la longitud de coherencia en algunos cupratos, superconductores de alta temperatura, es mucho más pequeña, del orden de nanómetros). Por ello, en sentido estricto no se puede hablar de un solo par de Cooper, sólo de todo el conjunto de pares de forma colectiva.

Afirmar que el estado superconductor BCS es equivalente a un estado condensado de Bose-Einstein (BEC) de pares de Cooper es abusar del lenguaje, aunque muchos libros de texto lo hagan (y yo mismo en este blog lo he hecho alguna que otra vez). Usar el término “condensación cuántica” para aludir a la transición de fase superconductora puede ser engañoso para los estudiantes universitarios, postgraduados e incluso para físicos profesionales que no trabajan en los fundamentos teóricos de la superconductividad.

Otro punto importante a tener en cuenta es que la teoría BCS original era una teoría de acoplo débil entre los fonones y los electrones que se aparean, de tal forma que la red no se ve afectada. Sin embargo, en muchos casos el acoplo es fuerte y los electrones que se aparean en realidad corresponden a cuasipartículas (los llamados “fermiones pesados”), debido a los cambios que el acoplo introduce en la propia red cuyos iones se mueven de forma periódica alterando la superficie en el espacio de energía que define el nivel de Fermi.

Todas estas razones nos recuerdan que la teoría BCS original es fenomenológica y por tanto no debería ser llamada teoría microscópica (término que se mantiene por tradición). Para rizar el rizo, en teoría de la superconductividad se utilizan dos adjetivos “exótico” y “no convencional” para hacer referencia a los comportamientos de los superconductores no descritos por la teoría BCS que tienen su origen en la física microscópica subyacente. En opinión de Gabovich y Kuznetsov, se debe aclarar a los estudiantes estas cuestiones terminológicas para que pueden entender la teoría BCS y su rango de aplicabilidad. Más aún, hay que recordarles que la teoría microscópica de la superconductividad no existe todavía y por ello no se entienden los materiales superconductores a alta temperatura. Los jóvenes deben ser conscientes de ello. Bueno, y los no tan jóvenes…

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