Роберт Купер

Роберт Купер — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1972 года, известный прежде всего как один из создателей микроскопической теории сверхпроводимости (теории БКШ). Его именем названо фундаментальное понятие в физике конденсированного состояния — куперовская пара.

Биография

Ранние годы и образование

Роберт Купер родился 23 февраля 1930 года в Нью-Йорке, США. Его отец, Ирвинг Купер, был бизнесменом, мать, Этель Купер, — домохозяйкой. Семья не имела прямого отношения к науке, однако Роберт с ранних лет проявлял интерес к математике и физике. В 1947 году он поступил в Колумбийский университет, где в 1951 году получил степень бакалавра, а в 1954 году — магистра. В 1955 году под руководством Леона Купера (не родственника) он защитил докторскую диссертацию по теоретической физике, посвящённую квантовой теории поля.

Научная карьера

После защиты докторской Купер работал в Институте перспективных исследований в Принстоне (1955–1957), где начал сотрудничество с Джоном Бардином. В 1957 году он перешёл в Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне, где вместе с Бардином и Джоном Шриффером разработал теорию сверхпроводимости. В 1958 году Купер стал профессором физики в Брауновском университете (Провиденс, Род-Айленд), где проработал до выхода на пенсию в 1995 году. В 1974–1978 годах он занимал пост декана факультета физики, а в 1980–1985 годах — директора Института теоретической физики.

Личная жизнь

Купер был женат на Элизабет Харрис (с 1956 года), в браке родилось трое детей. В свободное время он увлекался игрой на фортепиано и классической музыкой. Скончался Роберт Купер 9 марта 2024 года в Провиденсе в возрасте 94 лет.

Научные достижения

Теория сверхпроводимости (БКШ)

Главный вклад Купера в науку — разработка микроскопической теории сверхпроводимости, известной как теория БКШ (по первым буквам фамилий авторов: Бардин, Купер, Шриффер). До этой работы сверхпроводимость, открытая в 1911 году, оставалась необъяснённым явлением. В 1956 году Купер показал, что электроны в металле могут образовывать связанные пары (так называемые куперовские пары) за счёт притяжения через решётку кристалла. Это открытие стало основой для построения полной теории.

В 1957 году Бардин, Купер и Шриффер опубликовали три ключевые статьи, в которых описали:

• Механизм образования куперовских пар.
• Энергетическую щель между основным и возбуждённым состояниями.
• Предсказание критической температуры, выше которой сверхпроводимость исчезает.

Теория БКШ объяснила все известные свойства сверхпроводников при низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и позволила предсказать новые эффекты, например, квантование магнитного потока. За эту работу в 1972 году все трое учёных были удостоены Нобелевской премии по физике.

Куперовские пары

Куперовская пара — это связанное состояние двух электронов с противоположными спинами и импульсами, возникающее в металле при низких температурах. В обычных условиях электроны, имеющие одинаковый отрицательный заряд, отталкиваются. Однако Купер показал, что в кристаллической решётке притяжение между электроном и положительными ионами решётки может преодолеть кулоновское отталкивание. В результате электроны обмениваются фононами (квантами колебаний решётки), что приводит к эффективному притяжению. Куперовские пары ведут себя как бозоны и могут конденсироваться в единое квантовое состояние, что и обеспечивает сверхпроводимость.

Другие работы

Помимо теории сверхпроводимости, Купер внёс вклад в:

• Теорию квантовых жидкостей — исследовал свойства жидкого гелия-3 и его возможную сверхтекучесть.
• Физику низких температур — изучал эффекты, связанные с магнитными полями и примесями в сверхпроводниках.
• Математическую физику — разрабатывал методы решения нелинейных уравнений в квантовой теории поля.

Признание и награды

• Нобелевская премия по физике (1972) — совместно с Джоном Бардином и Джоном Шриффером «за создание теории сверхпроводимости, обычно называемой теорией БКШ».
• Премия Комстока (1968) — Национальная академия наук США.
• Медаль почёта IEEE (1977) — за вклад в физику твёрдого тела.
• Член Национальной академии наук США (с 1966 года).
• Член Американской академии искусств и наук (с 1972 года).
• Почётный доктор ряда университетов, включая Колумбийский и Брауновский.

Влияние на науку и технику

Теория БКШ стала фундаментом для понимания сверхпроводимости и стимулировала развитие:

• Сверхпроводящих магнитов — используемых в медицинских томографах (МРТ), ускорителях частиц (например, Большой адронный коллайдер) и системах магнитной левитации.
• Сверхпроводящих кабелей — для передачи электроэнергии без потерь, хотя практическое применение ограничено необходимостью сильного охлаждения.
• Квантовых компьютеров — куперовские пары лежат в основе сверхпроводящих кубитов, используемых в большинстве современных квантовых процессоров (например, от Google и IBM).

Идея куперовских пар также повлияла на теорию сверхтекучести гелия-3 и на модели нейтронных звёзд, где сверхпроводящие состояния могут возникать при экстремальных давлениях.

Критика и ограничения

Теория БКШ, хотя и является точной для обычных сверхпроводников (с критической температурой до 30 К), не объясняет механизм высокотемпературной сверхпроводимости (выше 77 К), открытой в 1986 году. Купер сам признавал, что для этих материалов требуется иная теория, основанная на других типах взаимодействия (например, на спиновых флуктуациях). Кроме того, в некоторых случаях (например, в графене) наблюдаются сверхпроводящие состояния, не описываемые стандартной моделью БКШ.

Интересные факты

• Купер был самым молодым из трёх лауреатов Нобелевской премии 1972 года (42 года на момент вручения).
• Он не был прямым учеником Бардина, а присоединился к его группе после случайной встречи на конференции.
• Название «куперовская пара» закрепилось в научной литературе уже в 1957 году, хотя сам Купер скромно предлагал называть их «бардиновскими парами».
• В 1970-х годах Купер участвовал в разработке теории квантовых точек — наночастиц, используемых в электронике и биомедицине.

Источники

• Bardeen, J., Cooper, L. N., & Schrieffer, J. R. (1957). Theory of Superconductivity. Physical Review, 108(5), 1175–1204.
• Cooper, L. N. (1956). Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas. Physical Review, 104(4), 1189–1190.
• Nobel Foundation. (1972). The Nobel Prize in Physics 1972.
• National Academy of Sciences. (1966). Biographical Memoirs: Robert Cooper.
• Брауновский университет. (2024). Некролог Роберта Купера.