BCS理论

BCS 理论或 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理论（以 John Bardeen、Leon Cooper 和 John Robert Schrieffer 的名字命名）是自 Heike Kamerlingh Onnes 1911 年发现以来的xxx个超导微观理论。 该理论将超导性描述为由库珀对凝聚引起的微观效应。 该理论还被用于核物理学，以描述原子核中核子之间的配对相互作用。

它由 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 于 1957 年提出； 他们于 1972 年因该理论获得了诺贝尔物理学奖。

在 20 世纪 50 年代中期，对超导性的理解取得了快速进展。 它始于 1948 年的论文《关于超导分子理论的问题》，其中弗里茨伦敦提出现象学伦敦方程可能是量子态相干性的结果。 1953 年，布赖恩·皮帕德 (Brian Pippard) 受渗透实验的启发，提出这将通过称为相干长度的新尺度参数修改伦敦方程。 约翰·巴丁 (John Bardeen) 随后在 1955 年的论文《超导体迈斯纳效应理论》中指出，这种修改自然发生在具有能隙的理论中。 关键因素是 Leon Cooper 在他 1956 年的论文“简并费米气体中的束缚电子对”中对受吸引力影响的电子束缚态的计算。

1957 年，Bardeen 和 Cooper 将这些成分组合在一起，并与 Robert Schrieffer 一起构建了这样一个理论，即 BCS 理论。 该理论于 1957 年 4 月首次发表于 Microscopic theory of superconductivity 的信件中。 1957 年 12 月的文章《超导理论》中展示了相变是二阶的，它再现了迈斯纳效应以及比热和穿透深度的计算。 他们因这一理论获得了 1972 年的诺贝尔物理学奖。

1986 年，在高达 30 K 的温度下，在 La-Ba-Cu-O 中发现了高温超导性。随后的实验确定了更多材料的转变温度高达约 130 K，xxx高于之前约 30 K 的极限。它 据信仅凭 BCS 理论无法解释这一现象，还有其他影响在起作用。 这些影响仍未完全了解； 他们甚至有可能控制某些材料在低温下的超导性。

在足够低的温度下，费米表面附近的电子变得不稳定，无法抵抗库珀对的形成。 Cooper 表明这种结合会在有吸引力的潜力存在时发生，无论多么微弱。 在传统的超导体中，吸引力通常归因于电子晶格相互作用。 然而，BCS 理论只要求潜力具有吸引力，而不管其来源如何。 在 BCS 框架中，超导性是库珀对凝聚产生的宏观效应。 它们具有一些玻色子特性，并且玻色子在足够低的温度下可以形成大的玻色-爱因斯坦凝聚体。 Nikolay Bogolyubov 同时通过 Bogoliubov 变换解释了超导性。

在许多超导体中，电子之间的吸引相互作用（配对所必需的）是由电子与振动晶格（声子）之间的相互作用间接产生的。 粗略地说，图片如下：

穿过导体的电子将吸引晶格中附近的正电荷。 晶格的这种变形导致另一个具有相反自旋的电子移动到较高正电荷密度的区域。 这两个电子然后变得相关。 因为在超导体中有很多这样的电子对，这些电子对非常强烈地重叠并形成高度聚集的凝聚体。 在这种凝聚状态下，一对电子的断裂将改变整个凝聚体的能量——而不仅仅是单个电子或一对电子。 因此，打破任何一对电子所需的能量与打破所有电子对（或不止两个电子）所需的能量有关。 由于配对增加了这种能垒，导体中振荡原子的反冲（在足够低的温度下很小）不足以影响整个凝聚态或凝聚态中的任何单个成员对。 因此，电子保持成对在一起并抵抗所有冲击，并且整个电子流（通过超导体的电流）不会受到阻力。 因此，凝聚物的集体行为是超导性所必需的关键成分。

BCS理论从假设电子之间存在某种吸引力开始，这种吸引力可以克服库仑斥力。 在大多数材料中（在低温超导体中）。