НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1972 г. / ФИЗИКА / ЛИОН КУПЪР

Лион Купър (Leon Cooper)

28 февруари 1930 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Джон Бардийн и Джон Робърт Шрифър)

(За създаване на теорията за свръхпроводимостта, обикновено наричана БКШ-теория .)

Американският физик Лион Купър е роден в Ню Йорк в семейството на Ъруин Купър и съпругата му Ан (Зола) Купър. Лион израства в Ню Йорк, посещава средно училище в Бронкс, а след това постъпва в Колумбийския университет, където специализира физика. Става бакалавър през 1951 г., магистър през 1953 г., и доктор през 1954 г. По време на обучението в Колумбийския университет основните интереси на Купър лежат в областта на квантовата теория за полето, която описва взаимодействията на частиците и полетата на атомно и субатомно равнище.

Стипендия на Националния научен фонд позволява на Купър да работи през академичната 1954/55 година в Института за фундаментални изследвания в Принстън (щат Ню Джърси), след което две години се занимава под ръководството на Джон Бардийн в Илинойския университет. Бардийн изследва свръхпроводимостта и други свойства на веществата при температури, надвишаващи само с няколко градуса абсолютната нула (273°С).

Холандският физик Хайке Камерлинк Онес открива през 1911 г., че при охлаждане на някои метали до температури, различни от абсолютната нула с няколко градуса, тези метали губят напълно електрическото си съпротивление - явление, което получава името свръхпроводимост. Наблюденията на Онес, които озадачават много учените по това време, не намират пълното си обяснение няколко десетилетия.

С охлаждането им почти всички метали увеличават проводимостта си, защото топлинното трептене на техните атоми създават електрическо съпротивление, което е резултат от разсейването на електроните, участващи във формирането на електрическия ток. При охлаждане на металите амплитудата на колебание намалява, което подобрява проводимостта. С намаляването на температурата в обикновените металите това подобрение става постепенно, докато в свръхпроводниците всяко електрическо съпротивление изчезва при температура, близка до абсолютната нула. Макар че атомите на подобни метали продължават да трептят, носещите ток електрони се движат явно без съпротива.

Около 1950 г. е изследвана свръхпроводимостта на металите, притежаващи няколко изотопа (разновидности на елементите, които имат еднакъв брой протони и електрони и поради това еднакви химични свойства, но различен брой неутрони). Оказва се, че критичната температура, при която изотопът става свръхпроводящ, е обратно пропорционална на неговата атомна маса. Атомната маса променя свойствата на твърдото тяло, защото влияе на разпространението на трептенето в неговата кристална структура. Това наблюдение навежда Бардийн на мисълта, че свойството свръхпроводимост зависи от взаимодействието на електроните и трептенето на атомите. Бардийн със своите колеги проучва няколко години тези взаимодействия, преди през 1956 г. към него да се присъедини Купър.

За кратко време Купър доказва, че взаимодействието между електроните и кристалната решетка създава свързана двойка електрони. По време на движението си през металния кристал електронът привлича околните положително заредени атоми, предизвиквайки с това незначителна деформация на кристалната решетка. Тази деформация на свой ред създава кратковременна концентрация на положителен заряд, което привлича втори електрон. Така два електрона се оказват свързани помежду си посредством кристалната решетка, образувайки това, което е известно като купърова двойка.

Основавайки се на тези открития, Джон Робърт Шрифър, аспирант в Илинойския университет, който също работи под ръководството на Бардийн, разработва метод за анализ на движението на голям брой двойки от взаимодействащи си електрони. За един месец той, Бардийн и Купър обобщават модела на Шрифър, създавайки обща теория за свръхпроводимостта. Наречена БКШ-теория (по инициалите на тримата ѝ създатели), тя постановява, че в свръхпроводащ материал голямо количество електрони имат съгласувано поведение. В полученото кохерентно състояние електроните се движат в синхрон. Под критичната температура ефектът на образуване на електронни двойки, осигуряващи координирано движение на електроните, се оказва по-силен от топлинните колебания на металните атоми. Смущенията, които биха отклонили отделни електрони и следователно биха предизвикали появата на електрическо съпротивление, не могат да направят това в свръхпроводника, без да въздействат на всички електрони, участващи в свръхпроводимото състояние. Това събитие е малко вероятно и затова двойките електрони се движат кохерентно без загуба на енергия. БКШ-теорията често е смятана за най-важният принос в теоретичната физика след създаването на квантовата теория.

От 1957 до 1958 г. Купър работи като асистент-професор в университета на щата Охайо, а след това заема различни професорски длъжности в университета “Браун”, съчетавайки от 1974 г. тази работа със задълженията си на съдиректор на Неврологичния център “Браун”. Много време ученият посвещава на развитието на теорията за централната нервна система. Особено се интересува от това как модификацията на невроните води до организиране на разпределена памет. Заедно със своя колега Чарлс Елбаум той разработва гъвкава система, способна да разпознава ръкописните букви и да ги преобразува в печатни. Тази система е използвана от корпорацията IBM през 1987 г.

Купър и съпругата му Кей Алард са женени от 1969 г., семейството има две дъщери.

Освен с Нобелова награда Купър е награден с наградата Комсток на Националната академия на науките на САЩ (1968 г.) и с медала Декарт на университета “Рьоне Декарт” (1977 г.). Има почетни степени от Колумбийския, Съсекския и Илинойския университет, от университета “Браун” и от университета на щат Охайо. Член е на Американската академия на науките и изкуствата, на Американското физическо дружество, на американската Национална академия на науките, на Американското философско дружество и на Федерацията на американските учени.

Превод от руски: Павел Б. Николов