超导性

在临界温度以下，某些材料能够以零电阻传导电流并排斥磁场，这是一种通过电子配对来解释的宏观量子态。

Definition

超导性是一种热力学相，在临界温度以下进入，其中电子结合成库珀对，凝聚成一个单一的相干量子态，产生精确的零电阻和被称为迈斯纳效应的磁通量排斥。

Scope

该领域涵盖了超导现象学和微观理论：零电阻和迈斯纳效应、伦敦和金兹堡-朗道唯象理论、库珀配对的BCS理论、I型和II型超导体的磁通涡旋行为、约瑟夫森效应，以及尚未解释的高温铜氧化物和铁基超导体。它将超导态视为一种宏观量子现象，并与磁性、声子和强电子关联相关联。

Sub-topics

• BCS理论与库珀配对
• 金兹堡-朗道理论与涡旋
• 高温超导体
• 迈斯纳效应与伦敦理论

Core questions

• 为什么超导体排斥磁场（迈斯纳效应）而不仅仅是零电阻？
• BCS机制如何让相互排斥的电子结合成库珀对？
• I型和II型超导体有何区别？磁通涡旋是如何产生的？
• 为什么高温铜氧化物超导体仍无法用传统的BCS理论解释？

Key concepts

• 零电阻和迈斯纳效应
• 库珀对和超导能隙
• 伦敦和金兹堡-朗道理论
• I型、II型超导体和磁通涡旋
• 约瑟夫森效应和宏观相干性

Key theories

BCS理论

巴丁、库珀和施里弗指出，弱声子介导的吸引力将费米面附近的电子结合成库珀对，这些库珀对凝聚成一个具有能隙的相干态，从而解释了零电阻、迈斯纳效应和同位素效应。

金兹堡-朗道理论

一种唯象序参量理论描述了超导转变和凝聚体的空间变化；其穿透深度与相干长度之比将超导体分为I型或II型，并预测了阿布里科索夫涡旋晶格。

Clinical relevance

超导体实现了无损电力传输、MRI扫描仪和粒子加速器中使用的高场磁体，以及基于约瑟夫森效应的超灵敏SQUID磁力计和量子计算量子比特；高温超导性仍然是物理学中一个核心的未解决问题。

History

卡末林-昂内斯于1911年在汞中发现了超导性；迈斯纳效应（1933年）以及伦敦和金兹堡-朗道唯象理论先于1957年的BCS微观理论，而1986年贝德诺尔茨和缪勒发现铜氧化物超导性则开启了高温超导性这一至今未解决的篇章。

Debates

高温超导机制

铜氧化物和其他非常规超导体中的配对机制尚未确定；它是由自旋涨落、其他电子关联还是某种声子辅助过程驱动，仍然是一个活跃且未解决的问题。

Key figures

• John Bardeen
• Heike Kamerlingh Onnes
• Vitaly Ginzburg

Seminal works

• bardeen1957
• bednorz1986
• tinkham2004

Frequently asked questions

超导体仅仅是完美的导体吗？

不是。完美的导体只会捕获存在的磁场；超导体则主动排斥磁通量（迈斯纳效应），这标志着它是一个独特的热力学相，而不仅仅是没有电阻的金属。

相互排斥的电子如何配对？

在传统超导体中，一个电子会使正离子晶格发生畸变，由此产生的正电荷集中会吸引第二个电子；这种声子介导的吸引力可以克服屏蔽的库仑斥力，并结合成一个库珀对。