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

發佈時間：2022/02/24 13:39

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。

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。

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。

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。

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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