De eis voor lage temperaturen in supergeleiding komt voort uit de onderliggende kwantummechanische interacties en energieoverwegingen in het materiaal. Hier zijn de belangrijkste redenen waarom supergeleiding doorgaans wordt waargenomen bij zeer lage temperaturen:

1. Thermische energie overwinnen:

Bij hogere temperaturen heeft thermische energie (de energie die gepaard gaat met de willekeurige beweging van atomen en elektronen) de neiging de vorming en het onderhoud van Cooper-paren te verstoren. Deze Cooper-paren zijn elektronenparen die ontstaan ​​door aantrekkelijke interacties en die verantwoordelijk zijn voor het verliesloze transport van elektrische stroom in supergeleiders. Thermische energie kan deze Cooper-paren uit elkaar halen, waardoor de supergeleiding wordt belemmerd. Naarmate de temperatuur daalt, neemt de thermische agitatie af, waardoor het voor Cooper-paren gemakkelijker wordt om gebonden te blijven en supergeleiding ontstaat.

2. Elektron-fonon-interacties:

In conventionele supergeleiders speelt de interactie tussen elektronen en roostertrillingen (fononen) een cruciale rol bij de vorming van Cooper-paren. Deze elektron-fonon-interacties genereren een aantrekkingskracht tussen elektronen, waardoor ze hun wederzijdse Coulomb-afstoting kunnen overwinnen en paren kunnen vormen. De effectiviteit van deze interacties is echter temperatuurafhankelijk. Bij hogere temperaturen zijn de roostertrillingen intenser, wat leidt tot een grotere verstrooiing van elektronen en verminderde interacties tussen elektronen en fononen. Deze verzwakking van de elektron-fononkoppeling maakt het moeilijker om supergeleiding te bereiken.

3. BCS-theorie en de energiekloof:

De BCS-theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer), die de microscopische verklaring biedt voor conventionele supergeleiding, voorspelt dat de supergeleidende toestand wordt gekenmerkt door een energiekloof (Δ) onder de Fermi-energie. Deze energiekloof vertegenwoordigt de minimale hoeveelheid energie die nodig is om een ​​Cooper-paar uit elkaar te halen en het systeem uit zijn supergeleidende grondtoestand te halen. Bij hogere temperaturen kunnen thermische fluctuaties voldoende energie leveren om deze energiekloof te overbruggen, wat leidt tot de vernietiging van de supergeleiding. Naarmate de temperatuur daalt, worden thermische fluctuaties minder energetisch, waardoor het moeilijker wordt om Cooper-paren uit elkaar te halen en daarmee de stabiliteit van de supergeleidende toestand te vergroten.

4. Kritische temperatuur (Tc):

Elke supergeleider heeft een karakteristieke kritische temperatuur (Tc) waarboven hij zijn supergeleidende eigenschappen verliest en overgaat naar de normale, niet-supergeleidende toestand. Tc vertegenwoordigt de maximale temperatuur waarbij supergeleiding kan worden gehandhaafd. De waarde van Tc varieert sterk tussen verschillende supergeleiders, variërend van enkele Kelvin (K) tot hogere temperaturen. Hoe hoger de kritische temperatuur, des te beter bestand is de supergeleider tegen thermische verstoringen, waardoor hij bij relatief hogere temperaturen supergeleiding kan vertonen.

Deze factoren verklaren gezamenlijk waarom supergeleiders doorgaans lage temperaturen nodig hebben om hun karakteristieke eigenschappen te vertonen. Het bereiken van supergeleiding bij hogere temperaturen blijft een actief onderzoeksgebied en biedt aanzienlijke mogelijkheden voor verschillende technologische toepassingen.