¿Explicación simple e intuitiva de la superfluidez?

Responderé a tu segunda pregunta porque es con la que estoy más familiarizado.

La pregunta que estamos respondiendo es: "¿Por qué la corriente en un superconductor se mueve sin resistencia?"

Para entender esto, primero debemos entender por qué los metales normales tienen una resistividad distinta de cero. Imagine un electrón en el metal y suponga que viaja en alguna dirección. Si el electrón nunca interactuó con nada más, simplemente avanzaría alegremente en esa dirección y, de hecho, la resistencia sería cero. Sin embargo, en un metal normal, los electrones que viajan interactúan ("chocan") con los iones del metal a través de la fuerza de Coulomb porque ambos están cargados. Esto transfiere energía y cantidad de movimiento del electrón al ion. Dado que ese ion está estrechamente conectado con los otros iones metálicos, esta transferencia de energía y momento hace que la red de iones vibre. Una excitación de este tipo de vibración de la red se denomina " fonón" .". Cuando escuche a la gente decir que, en un metal normal, los electrones se dispersan fuera de los fonones, esto es de lo que están hablando.

Por cierto, la excitación de los fonones es precisamente el calentamiento del metal, por lo que vemos que a medida que el electrón pierde energía, el metal se calienta. Este es el calentamiento Joule .

Entonces, podemos decir que en un metal normal la resistividad no es cero porque los electrones se dispersan de los fonones. En un superconductor pensarías que la situación sería la misma. Todavía hay modos de vibración en el metal, y los electrones y los iones todavía están cargados, por lo que, por supuesto, todavía interactúan a través de la fuerza de Coulomb. Para entender por qué esto no sucede, tenemos que considerar más detenidamente lo que sucede en un metal normal.

Cuando un electrón se dispersa fuera de un fonón, el estado del electrón (es decir, su dirección y velocidad de viaje) cambia. Los electrones pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones. Los fermiones están sujetos al principio de exclusión de Pauli, que es que es imposible tener dos fermiones ocupando el mismo estado. Eso significa, por ejemplo, que no puedes tener dos electrones en el mismo estado de impulso. Eso significa que para que un electrón se disperse de un fonón, debemos tener una situación en la que haya un estado final desocupado en el que el electrón pueda dispersarse. De lo contrario, el proceso de dispersión simplemente no puede ocurrir. En un metal normal a temperatura finita, los electrones ocupan un conjunto de estados de impulso hasta cierto nivel. Piénselo de la siguiente manera. Cuando pones el primer electrón en el sistema, entra en el estado de energía más bajo (que tiene un impulso cero). Debido al principio de exclusión, el siguiente electrón pasa a un estado de mayor energía, que también tiene más cantidad de movimiento. A medida que continúa agregando electrones, se llena de una bola 3D de estados de impulso. Esto se llama el "a del diagrama adjunto.

A temperatura cero, los electrones llenarían la bola hasta una energía de corte. Esto se muestra en rojo oscuro en el diagrama. Sin embargo, a una temperatura finita, hay un poco de energía térmica que permite que los electrones salten a estados de energía (y momento) ligeramente más altos. Esta pequeña banda se muestra en rosa en el diagrama. En la parte b hacemos zoom en la banda rosa. Los círculos oscuros indican estados de electrones llenos y los círculos abiertos indican estados de electrones vacíos. Cuando un electrón interactúa con un fonón, solo puede dispersarse y cambiar de estado si hay un estado final disponible. La flecha verde indica un posible proceso de dispersión, mientras que la flecha gris indica uno prohibido por el principio de exclusión.

En un superconductor sucede algo realmente interesante. ¡Debido a las interacciones con los fonones, resulta que hay una interacción de atracción efectiva entre los electrones! Básicamente, lo que sucede es que un electrón que viaja con su carga negativa hace que los iones cargados positivamente del metal se succionen un poco. El electrón se va muy rápido, pero los iones tardan más en moverse, por lo que después de que el electrón se va, todavía hay una región de mayor densidad de iones cargados positivamente. Esto hace que otros electrones sean atraídos a ese punto, debido a la mayor carga positiva. De esta manera, existe una extraña atracción dependiente del tiempo entre los electrones.

La atracción entre electrones hace que resulte que hay un estado de energía más bajo que la región roja llena que se muestra en la parte a de la figura. Este estado de menor energía es tal que las excitaciones usuales de un solo electrón están en un nivel de energía que está a una distancia significativa de este nuevo estado fundamental. La brecha de energía, que se muestra en la parte c de la figura, es la razón por la que se produce la superconductividad. Ahora bien, si los electrones se dispersaran de un fonón, los únicos estados disponibles en los que tienen que dispersarse están a una gran distancia en energía. Eso significa que necesita fonones de energía realmente alta (o algo más) para perturbar este estado fundamental. Entonces, siempre que no golpee su superconductor demasiado fuerte, NO hay dispersión y, por lo tanto, no hay resistencia.

Este argumento también explica por qué los superconductores tienen resistencia cero en CC, pero resistencia distinta de cero en CA. Si introduce perturbaciones de alta frecuencia, puede introducir suficiente energía para sacar un electrón superconductor de la brecha a esos estados disponibles en la región rosa. Recuerde, la energía de una perturbación está relacionada con la frecuencia por$E=h f$.

Resumen: los metales superconductores tienen resistencia cero porque no hay estados disponibles para que los electrones se dispersen. Sin dispersión significa que no hay resistencia.