基本介紹中文名:BCS理論mbth: BCS理論發明人:巴丁、庫珀、施裏弗發明時間:1957學科:材料工程領域:工程技術介紹、相關介紹、理論內容、實踐成功、理論問題、簡介1957、J.Bardeen、L.N .庫珀& amp；J . r .施裏弗發表文章，首次揭示了超導的秘密。該理論以三人姓名的首字母命名，被稱為BCS理論。BCS理論基於近自由電子模型，該模型建立在電子-聲子弱相互作用的前提下。BCS理論是解釋常規超導體超導電性的微觀理論。在足夠低的溫度下，費米表面附近的電子由於庫珀對的形成而變得不穩定。庫珀表明，當存在引力勢時，無論它有多弱，這種結合都會發生。在傳統超導體中，引力壹般來自於電子和晶格的相互作用。但是，BCS理論只要求這個引力勢的存在，不管它是怎麽來的。在BCS理論的框架下，超導是由凝聚的庫珀對引起的宏觀效應。它們具有玻色子的壹些性質，在足夠低的溫度下，玻色子可以在很大程度上形成玻色-愛因斯坦凝聚。在同壹時期，超導電性也是尼古拉·博戈列波夫通過博戈列波夫變換解釋的。在超導體中，電子之間的相互吸引(配對所需要的)是由電子和晶格振動(聲子)的相互作用間接引起的。穿過導體的電子會吸引晶格中相鄰的正電荷(導致晶格畸變)，這會使另壹個自旋相反的電子進入高正電荷密度區，使兩個電子相互關聯。因為超導體中有很多這樣的電子對，這些電子對重疊非常多，形成了高度濃縮的凝聚體。在這種“凝聚”狀態下，去掉壹個電子對會改變整個凝聚體的能量——不僅僅是壹個電子，或者壹個電子對。因此，移除任何單個電子對所需的能量與移除所有電子對(或不僅僅是兩個電子)所需的能量相關。電子的配對會增加能壘，把電子踢出導體中振蕩原子的力(在足夠低的溫度下是很小的)不足以影響整個凝聚體或體內任何壹個單獨的庫珀對成員，所以電子配對在壹起抵抗這些踢力，電子作為壹個整體流動(即通過超導體的電流)就不會被抵抗。因此，凝聚體的集體行為是超導性所必需的關鍵因素。BCS理論首先假設電子之間存在壹些可以克服庫侖排斥的引力。在大多數材料中(低溫超導體中)，這種引力是由電子和晶格的耦合間接引起的(如上所述)，但BCS理論的結論並不依賴於引力相互作用的起源。例如，在超冷費米子氣體中，當均勻磁場被調諧到它們的Feshbach共振時，就觀察到了庫珀對。BCS最初的結論描述的是S波超導態，這是低溫超導體中的壹個定律，但這個結論在D波高溫超導體等很多非常規超導體中並沒有實現。BCS理論也被擴展來描述這些其他情況，雖然這些擴展不足以完全描述HTS的觀測特性。BCS理論可以提供壹種近似來描述金屬中電子系統形成的量子力學多態，稱為BCS態。在金屬的正常狀態下，電子的運動是獨立的；在BCS態，它們被引力相互作用束縛成庫珀對。BCS公式是基於電子吸引的簡化勢，而利用這種勢，人們還提出了壹個關於波函數的假設，這個假設後來被證明在庫珀的高密度極限下是準確的。需要註意的是，相互吸引的費米子對的疏水區和稠密區連續交替的問題仍然沒有解決，但它已經在超冷氣體領域引起了很多關註。巴丁、庫珀和施裏弗因提出超導的BCS理論獲得1972諾貝爾物理學獎。然而，BCS理論不能成功地解釋所謂的第二類超導現象，或高溫超導。理論含量在極低的溫度下，某些金屬的電阻會完全消失，電流可以無損耗地流動。這種現象被稱為超導。超導現象在1911年被發現，但直到1957年巴丁、庫珀和施裏弗提出BCS理論，其微觀機制才得到滿意的解釋。BCS理論認為超導是壹種宏觀量子效應。提出金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成所謂的“庫珀對”，庫珀對可以在晶格中無損移動形成超導電流。在提出BCS理論的同時，尼古拉·博戈柳博夫也獨立提出了超導的量子力學解釋，他所用的博戈柳博夫變換是常用的。電子之間的直接相互作用是相互排斥的庫侖力。如果只有直接的庫侖力，電子不能相互吸引，不能相互配對，但是電子之間也有通過晶格振動(聲子)的間接相互作用:電-聲子相互作用。當電子之間的相互作用滿足壹定條件時，可以相互吸引，正是這種吸引導致了“庫珀對”的出現。壹般來說，其機理是:當電子在晶格中運動時，會吸引相鄰格點上的正電荷，導致格點局部畸變，形成局部高正電荷區。這個局部高正電荷區域會吸引自旋相反的電子，並以壹定的結合能與原來的電子結合。在很低的溫度下，這個結合能可能高於晶格原子振動的能量，這樣電子對就不會與晶格進行能量交換，也就沒有電阻，形成了所謂的“超導性”。BCS理論的成功實踐由BCS導出的幾個重要理論預言，是獨立又相互作用的細節。由於定量預言的存在，下面提到的足夠弱引力的電子和最後壹個條件滿足很多低溫超導體——所謂的抽象。這些已經在很多實驗中得到證實:1，束縛在庫珀對電子上，這些相關的電子對都來自於由於泡利不相容原理的結構。所以，為了打破壹對，其他的都換壹個能源。這意味著與正常金屬存在單粒子激發能隙(可以通過加入任意小的能量來改變電子的狀態)。這個能隙在低溫時最高但消失，超導轉變溫度不復存在。BCS理論給出了壹個表達式，表明生長能隙與引力相互作用，單粒子態密度處於費米能級。此外，它描述了如何在態密度變化時進入超導態，在沒有電子的費米能級。能隙就是直接觀察隧道實驗，反射微波的超導體。2.BCS理論再現了同位素效應，這是對給定超導材料的實驗觀察。臨界溫度與物質質量所用的同位素成反比。1950年3月24日兩個小組報告了同位素效應，發現它獨立處理不同的汞同位素，盡管他們幾天前在亞特蘭大的ONR會議上得知了彼此的結果。兩個小組是Emmanuel Maxwell，他的研究成果發表在《超導汞的同位素效應》上，c a Reynolds Canary、w . h . Wright和l b naisbitt發表了他們的研究成果。同位素選擇通常對電學性質影響不大，但影響晶格振動的頻率。這個效應表明超導性和晶格振動。結合BCS理論，晶格振動產生的電子束縛能的庫珀對。理論問題我們知道，當把壹個超導環放在磁場中，冷卻到臨界溫度以下，突然去掉磁場，超導環中就會產生感應超導電流。實驗表明，這種電流可以持續數年而無明顯變化。根據BCS電子配對理論，超導環中的電子全部配對成功，那麽這兩束電子是如何形成超導電流的呢？他們怎麽保證幾年內不會碰撞？還有待證明。