超导体为何排斥磁场不分极性吗?还
物理学评论》于1957年刊登了一篇理论文章,第一次解释了在低温下一些材料电阻完全消失的现象。在实验线索和早期理论尝试的基础上,来自伊利诺斯大学(University of Illinois in Urbana)的John Bardeen,Leon Cooper和Robert Schrieffer不仅解释了电阻消失的现象,同时还解释了超导体的许多磁学和热学性质。 即所谓的BCS理论,他们的发现还对粒子物理理论有重要的影响,并且为解释高温超导现象的尝试提供了依据。
超导体会排斥磁场,这使得小的永久磁铁(Permanent Magnet)能够漂浮在大块的高温超导体上。 在1957年,也就是在...全部
物理学评论》于1957年刊登了一篇理论文章,第一次解释了在低温下一些材料电阻完全消失的现象。在实验线索和早期理论尝试的基础上,来自伊利诺斯大学(University of Illinois in Urbana)的John Bardeen,Leon Cooper和Robert Schrieffer不仅解释了电阻消失的现象,同时还解释了超导体的许多磁学和热学性质。
即所谓的BCS理论,他们的发现还对粒子物理理论有重要的影响,并且为解释高温超导现象的尝试提供了依据。
超导体会排斥磁场,这使得小的永久磁铁(Permanent Magnet)能够漂浮在大块的高温超导体上。
在1957年,也就是在超导现象被发现50年之后,BCS理论解释了低温超导现象。
超导现象最早是在1911年发现的,到上世纪三十年代的时候物理学家们确定超导体中的电子占据了不同于正常导体中电子的量子态。
研究人员们于1950年发现,水银转变成超导体的临界温度比原子量较大的水银同位素的临界温度稍微要高一些,这就说明超导电性除了和材料中电子的运动有关外还和原子的运动有关。
为了解释这种“同位素效应”(Isotope Effect)Bardeen和他在伊利诺斯大学的同事David Pines从理论上证明,在原子晶格中电子可以相互吸引,虽然电子和电子之间有很强的静电排斥作用。
关键在于,电子可以影响晶格原子的振动,这种振动可以影响其它的电子,也就是说电子和电子之间的相互吸引并不是直接的。
到了上世纪五十年代中期,Bardeen和博士后Cooper以及研究生Schrieffer合作。
Cooper发表了一篇短文,在这篇文章中他发现Bardeen-Pines吸引可以使得动量相反的电子配对,并且这种配对是稳定的[1]。Cooper指出,这种配对的机制可能就是造成超导电性的原因,但是Bardeen开始的时候对此表示怀疑。
这种配对的电子并不是物理上相靠近,但是两者的运动是相匹配的,它们总是具有大小相等方向相反的动量。当时并不清楚这种脆弱分离的配对为何能够被组织起来导致产生超导电性而不被破坏。
几个月后,Schrieffer找到了从数学上定义包含很多电子对的量子态的方法,这种量子态中电子对和其它的电子以及晶体原子之间没有相互作用,从而可以毫无阻碍地在晶体中运动。
随后Schrieffer将这种物理图像和当时流行的舞蹈Frug作了类比,在这种舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但是他们始终是一对[2]。
Frug, 跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但是他们始终是一对。
这个小组于1957年早期发表了一篇短文之后又于这一年的十二月发表了后来闻名遐迩的BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)超导理论。他们于1972年获得了诺贝尔物理学奖。
这个理论解释了同位素效应以及迈斯纳效应(当强度低于某一临界值的时候磁场不能进入超导体中)。这个理论同时还能够解释为什么超导电性只能够发生在接近绝对零度的时候——当热运动太剧烈的时候脆弱的Cooper对就会被破坏。
来自伊利诺斯大学的超导实验学家Laura Greene认为这正体现了Bardeen的洞察力,他选择了正确的合作者,并且在探索的时候始终关注实验的进展。科学就应该这么做。
BCS波函数的一个奇异之处在于它缺少当时电磁方程组的任何量子或是经典解所具有的数学对称性。
对这个问题的进一步分析刺激了粒子物理理论中所谓的对称性破缺(Symmetry Breaking)理论的发展。
虽然1986年发现的高温超导体依赖于电子的配对,它们在温度高于BCS理论中配对临界温度的时候依然具有超导电性。
Marvin Cohen(加利福尼亚大学伯克利分校)认为虽然对于新材料缺乏理解,原来的BCS结对机制仍然有效。Greene认为,既然从发现超导现象开始就花了一些非常聪明的人五十年的时间才找到BCS理论,她并不认为仅仅过了二十年就能够解释高温超导现象。
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