BCS（常规超导体微观理论）

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更新时间：2023-05-20
BCS
常规超导体微观理论
BCS理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。该理论以其发明者约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗的名字首字母命名。
基本信息
外文名
BCS
全称
Bardeen-Cooper-Schrieffer theory
概述
对于超导理论诞生之初，学界对其只有一个直观的、现象的描述，而缺乏一个更严格的基于数学的解释。直到1957年，约翰·巴登（John Bardeen）和他的研究生助理莱昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施雷弗（John Schreiffer）才提出了一个对于超导性质足够充分的微观解释，这个理论后来被以他们三人的名字命名：BCS理论。这个理论解释后来使这三人获得了诺贝尔物理学奖，也使约翰·巴登成为历史上唯一一位被两次授予这一荣誉的人。
理论内容
BCS理论中作出了一个重要的假设：电子之间存在吸引力。在典型的I型超导体中，这种力是由于电子和晶格之间的库仑吸引力。晶格中的电子将导致其周围的正电荷轻微增加。正电荷的增加又会吸引另一个电子。这两个电子被称为库珀对（cooper pair）。如果将这些电子结合在一起所需的能量小于试图将它们分开的晶格的热振动的能量，则这个库珀对将保持互相约束的状态。这也解释了为什么超导要求低温--晶格的热振动必须足够小以允许库珀对的形成。在超导体中，电流由这些库珀对而不是单独的电子形成。
BCS[常规超导体微观理论]
所以库珀对是通过与晶格间的库仑相互作用形成的。也正是这个作用克服了导体中的阻力。晶格内部的电子会由于库仑吸引而导致正电荷轻微增加，所以当Cooper对流动时，前导电子会引起电荷的增加，同时后面的电子会被它吸引。如图所示
电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。
实验支持
电子是如何通过晶格相互作用形成Cooper对的，这一过程又是如何进一步发展为BCS超导理论的呢？找到费米能级中的的微小带隙就是完成这一理论拼图的关键。这些证据来自于：临界温度的存在，临界磁场的存在以及I型超导体热容量指数变化的性质。
电子与晶格相互作用形成Cooper对的证据首先来自临界温度的同位素效应。
如果汞中的电传导是纯电子的，则其不应该依赖于核质量。超导体临界温度对同位素质量的依赖性是电子与晶格之间相互作用的第一个直接证据。这支持了电子对晶格耦合的BCS理论。
可以非常显着观测到的是，像零电阻率的过渡这样的电现象应该仅仅涉及晶格的空间结构。因为临界温度时的变化需要有超导转变相关的环境能量的变化，所以这表明有部分能量被用于转移晶格中的原子，因为能量随着晶格的质量发生了改变。
这一现象不仅指出晶格振动是形成超导效应的重要部分，也成为了BCS理论发展中是一个重要线索，因为它提出了晶格耦合，以及量子过程中的声子这些概念。