BCS理论与库珀配对

超导的微观理论表明，微小的声子介导吸引力将电子结合成库珀对，这些库珀对凝聚成具有能隙的单一相干态。

Definition

BCS理论是传统超导的微观理论，其中弱的声子介导吸引力将费米面附近动量和自旋相反的电子结合成库珀对，这些库珀对凝聚成一个相干基态，与激发态之间存在能隙。

Scope

本主题涵盖巴丁-库珀-施里弗理论：库珀证明任何吸引力都会通过形成束缚对来破坏费米海的稳定性，这种吸引力的声子介导起源，凝聚库珀对的BCS基态，超导能隙及其温度依赖性，以及对临界温度、比热跳跃和同位素效应的预测。它是伦敦和金兹堡-朗道唯象理论所预期的微观基础。

Core questions

• 为什么任意弱的吸引力都会使正常的费米海对配对不稳定？
• 晶格振动如何介导电子之间的有效吸引力？
• 什么是超导能隙，它与临界温度有何关系？
• BCS理论解释了哪些实验事实，例如同位素效应和比热跳跃？

Key concepts

• 库珀对和库珀不稳定性
• 声子介导吸引
• BCS基态和凝聚体
• 超导能隙
• 同位素效应和临界温度

Key theories

库珀不稳定性

库珀表明，对于任何吸引相互作用，无论多么微弱，填充费米海上方仅有的两个电子都会形成束缚对，因此正常的金属态对配对是不稳定的，必须形成新的基态。

BCS基态

巴丁、库珀和施里弗构建了一个凝聚库珀对的相干多体波函数，该波函数在费米面打开一个能隙，并定量预测了临界温度、比热跳跃和同位素效应。

Clinical relevance

BCS理论解释并预测了用于磁体、传感器和加速器的传统超导体的特性，其配对和凝聚的概念在物理学中反复出现，从超流氦-3到中子星以及粒子物理学中的希格斯机制类比。

History

在弗罗利希（Fröhlich）确定了电子-声子相互作用和同位素效应指向声子之后，库珀于1956年证明了配对电子会结合，1957年巴丁、库珀和施里弗完成了微观理论，这项工作获得了1972年诺贝尔物理学奖。

Key figures

• John Bardeen
• Leon Cooper
• John Robert Schrieffer

Seminal works

• bardeen1957
• cooper1956

Frequently asked questions

两个带负电的电子如何相互吸引？

一个电子使正离子晶格变形，将它们向内吸引；由此产生的瞬时正电荷过剩吸引第二个电子。这种延迟的、声子介导的相互作用可以超过屏蔽的库仑斥力并束缚一个库珀对。

能隙的作用是什么？

凝聚的库珀对与任何激发态之间存在能隙，因此会耗散电流的低能散射是被禁止的；这个能隙赋予了传统超导体零电阻和指数热特性。