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BCS（常規(guī)超導(dǎo)體微觀理論）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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BCS

常規(guī)超導(dǎo)體微觀理論

BCS理論是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論（所以也常意譯為超導(dǎo)的微觀理論）。該理論以其發(fā)明者約翰·巴丁、利昂·庫(kù)珀和約翰·施里弗的名字首字母命名。

基本信息

外文名	BCS
全稱(chēng)	Bardeen-Cooper-Schrieffer theory

概述

對(duì)于超導(dǎo)理論誕生之初，學(xué)界對(duì)其只有一個(gè)直觀的、現(xiàn)象的描述，而缺乏一個(gè)更嚴(yán)格的基于數(shù)學(xué)的解釋。直到1957年，約翰·巴登（John Bardeen）和他的研究生助理萊昂·庫(kù)珀（Leon Cooper）和約翰·施雷弗（John Schreiffer）才提出了一個(gè)對(duì)于超導(dǎo)性質(zhì)足夠充分的微觀解釋?zhuān)@個(gè)理論后來(lái)被以他們?nèi)说拿置築CS理論。這個(gè)理論解釋后來(lái)使這三人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也使約翰·巴登成為歷史上唯一一位被兩次授予這一榮譽(yù)的人。

理論內(nèi)容

BCS理論中作出了一個(gè)重要的假設(shè)：電子之間存在吸引力。在典型的I型超導(dǎo)體中，這種力是由于電子和晶格之間的庫(kù)侖吸引力。晶格中的電子將導(dǎo)致其周?chē)恼姾奢p微增加。正電荷的增加又會(huì)吸引另一個(gè)電子。這兩個(gè)電子被稱(chēng)為庫(kù)珀對(duì)（cooper pair）。如果將這些電子結(jié)合在一起所需的能量小于試圖將它們分開(kāi)的晶格的熱振動(dòng)的能量，則這個(gè)庫(kù)珀對(duì)將保持互相約束的狀態(tài)。這也解釋了為什么超導(dǎo)要求低溫--晶格的熱振動(dòng)必須足夠小以允許庫(kù)珀對(duì)的形成。在超導(dǎo)體中，電流由這些庫(kù)珀對(duì)而不是單獨(dú)的電子形成。

BCS[常規(guī)超導(dǎo)體微觀理論]

所以庫(kù)珀對(duì)是通過(guò)與晶格間的庫(kù)侖相互作用形成的。也正是這個(gè)作用克服了導(dǎo)體中的阻力。晶格內(nèi)部的電子會(huì)由于庫(kù)侖吸引而導(dǎo)致正電荷輕微增加，所以當(dāng)Cooper對(duì)流動(dòng)時(shí)，前導(dǎo)電子會(huì)引起電荷的增加，同時(shí)后面的電子會(huì)被它吸引。如圖所示

電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒(méi)有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。

實(shí)驗(yàn)支持

電子是如何通過(guò)晶格相互作用形成Cooper對(duì)的，這一過(guò)程又是如何進(jìn)一步發(fā)展為BCS超導(dǎo)理論的呢？找到費(fèi)米能級(jí)中的的微小帶隙就是完成這一理論拼圖的關(guān)鍵。這些證據(jù)來(lái)自于：臨界溫度的存在，臨界磁場(chǎng)的存在以及I型超導(dǎo)體熱容量指數(shù)變化的性質(zhì)。

電子與晶格相互作用形成Cooper對(duì)的證據(jù)首先來(lái)自臨界溫度的同位素效應(yīng)。

如果汞中的電傳導(dǎo)是純電子的，則其不應(yīng)該依賴(lài)于核質(zhì)量。超導(dǎo)體臨界溫度對(duì)同位素質(zhì)量的依賴(lài)性是電子與晶格之間相互作用的第一個(gè)直接證據(jù)。這支持了電子對(duì)晶格耦合的BCS理論。

可以非常顯著觀測(cè)到的是，像零電阻率的過(guò)渡這樣的電現(xiàn)象應(yīng)該僅僅涉及晶格的空間結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕R界溫度時(shí)的變化需要有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變相關(guān)的環(huán)境能量的變化，所以這表明有部分能量被用于轉(zhuǎn)移晶格中的原子，因?yàn)槟芰侩S著晶格的質(zhì)量發(fā)生了改變。

這一現(xiàn)象不僅指出晶格振動(dòng)是形成超導(dǎo)效應(yīng)的重要部分，也成為了BCS理論發(fā)展中是一個(gè)重要線索，因?yàn)樗岢隽司Ц耨詈?，以及量子過(guò)程中的聲子這些概念。

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