超導體為什麼具有零電阻 獲得諾貝爾獎的BCS理論這樣解釋

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1908年,荷蘭物理學家海克·昂內斯首次發現了將氦氣轉化為液氦的方法。這是一項了不起的成就,因為氦只有在絕對零度以上4度的時候才會液化,也就是零下269攝氏度。後來,他把一份水銀樣本冷卻到這個溫度並通電,令他震驚的是,他發現它沒有了電阻,這意味着沒有能量損失。這是非常不尋常的現象,因為通常情況下,在電流通過材料的過程中,至少會損失一些能量。認識到這種現象的重要性,他把這種物質的新狀態稱為超導體,他也因此獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。

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在一般情況下,當電流通過一種材料時,總是會有電阻,因為電子與原子碰撞會造成一些能量損失。但不知何故,在這種新的超導狀態下,電子直接穿過材料,就像沒有任何原子擋住它們的路一樣。事實上,如果你在一個超導線圈中放入電流,電流幾乎將永遠持續流動,而無需增加電壓或能量。超導體還有一個看起來很神奇的特性,那就是它們可以排出磁場。所以如果你把一塊磁鐵放在超導體上,磁鐵就會懸浮起來。

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超導材料如何能完美地傳輸電流而不損失能量?要回答這個問題,我們必須深入到亞原子的基礎,這意味着我們必須調用量子力學。超導是什麼?為什麼它如此特別,量子力學又是如何解釋它的?

邁斯納效應

20世紀初,材料在很冷的溫度下達到低電阻的想法被廣泛接受,但人們還不懂的是接近絕對零度時電阻會發生什麼變化?開爾文認為電子會完全停止,因此電阻會變成無窮大。因此,當首次發現材料的電阻可以在非常低的溫度下變為零時,這是出乎意料的。1911年,昂內斯第一個在水銀中發現了這一點,併發現它在4.2開爾文的溫度下具有超導性。後來,人們發現其它金屬和合金可以在更高的溫度下超導。然而,典型的溫度仍然很冷,通常低於150開爾文。

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1933年,沃爾特·邁斯納和羅伯特·奧克森菲爾德又有了一個重大發現。他們發現,當金屬在一個小磁場中冷卻時,隨着金屬變得超導,磁通量會自發地排除在外,這現在被稱為邁斯納效應。通常,物質允許磁場穿過它。然而,超導的一個性質是超導材料會排出磁通量場,換句話說,磁場不能穿過它。因此,磁鐵的磁場會提升材料,以使磁通量能順利流向另一磁極,這也就是導致懸浮的原因。

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即使在這一發現之後,仍然不知道超導的確切原因是什麼。在超導被髮現的46年後,我們才有了第一個真正的微觀理論來描述超導發生的事情。1957年,約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·施里弗提出了現在被稱為BCS的理論,併在1972年獲得了諾貝爾物理學獎。他們到底發現了啥?


電阻產生的原因

為了理解電子如何在超導體中無阻力地流動,我們首先需要理解導致阻力的原因。在金屬內部,離原子核最遠的最外層電子可以自由移動,以至於金屬可以視為被電子海包圍的原子堆,電子能夠以類似流體的方式流動。如果我們在金屬的一邊通電,它們可以很容易地接受這些新電子,併在另一邊推出一些電子以騰出空間,我們把這種流動解釋為電流。

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但電子的流動並不完美。當電子在材料中移動時,原子擋住了它們的去路,如果原子完全靜止,電子就能更容易地通過材料。但通常情況並非如此,原子會振動,或者晶格中存在缺陷,電子與可能正在振動的原子發生碰撞。這將導致電子發生散射,最終將其部分能量釋放給了原子,使其振動得更厲害。這種增加的振動導致整個晶格振動得更多,這種較高的振動導致金屬升溫,這就是電阻導致能量損失的原因。
隨着溫度的升高,原子的振動會更強烈,這將導致更高能量的碰撞和更高的電阻。這種導致電子散射的振動可以通過降低金屬的溫度來減少。但是,原子的振動不能完全停止,因為海森堡的不確定性原理進行了限制,那麼電阻又是如何完全消失的呢?

費米子與玻色子

要理解這一點,我們先來重溫費米子和玻色子的概念。粒子都有一個與動量有關的特性叫做自旋,自旋並不是指物理上的旋轉,而是粒子的內稟性質。這些自旋值是普朗克常數的倍數:它要麼是整數倍,要麼是半整數倍。具有半整數自旋的粒子稱為費米子,具有整數自旋的粒子稱為玻色子。例如,一個電子電子可以有+1/2或-1/2的自旋,所以它是費米子;光子可以有+1或-1的自旋,所以它是玻色子。

玻色子和費米子在亞原子水平上的行為不同。在量子系統中,任何數量的相同玻色子都可以占據相同的能級,但費米子的情況並非如此,兩個或兩個以上相同的費米粒子不能占據相同的能級,這被稱為泡利不相容原理。簡單來說,相同費米子不能堆在一起,而玻色子沒有這個限制,相反它們在低溫下喜歡堆在一起。

超導:庫珀對

當一個電子在導體中移動時,它會被其他電子排斥,但它也會吸引構成金屬剛性晶格的正離子。這種吸引力使離子晶格發生扭曲,使離子輕微地向電子移動,增加了晶格附近的正電荷密度。這種正電荷密度可以在遠距離吸引其他電子,由於離子的移位,這種吸引力可以剋服電子的排斥並導致它們兩兩結合。兩個電子以這種方式結合在一起,稱為庫珀對。

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如果材料的溫度足夠低,庫珀對會保持在一起,因為它沒有足夠的能量分裂。然後,我們可以將這種組合當成單獨的粒子來對待。當兩個電子以這種方式結合在一起時,它們的半自旋一起形成一個整數自旋。換句話說,它們開始表現得像玻色子,它們不再受泡利不相容原理的限制。

現在的情況是,由於任意多個玻色子都可以進入相同的低能態,庫珀對的集合開始表現得像一個實體。當一束玻色子冷卻到低溫占據最低量子基態時,就稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。它們就像一個玻色子電子一樣,都處於相同的低能量狀態。它是帶負電的,因為它是由帶負電的電子組成的,所以這意味着它可以導電。

正常情況下,當一個電子與一個原子碰撞並散射時,它會因為碰撞而失去一些能量。但是對於庫珀對,它沒有更低的能量了,因為它們已經處於最低的能態,所以它們不可能再損失任何能量了。庫伯對與原子之間缺乏相互作用,有效地導致電子流動沒有阻力,材料就變成了超導體。庫珀對中的電子的相互作用非常弱,所以超導通常只在非常低的溫度下發生。當溫度超過臨界溫度時,庫伯對就會被破壞,因為已經有足夠的能量將它們分解,因此超導性就會喪失。

以上所描述的機制是對庫珀對如何形成的常規理解,但是可能還有其他機制我們尚未瞭解。


轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場



來源:萬象經驗

編輯:Paathurnax


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