历史回眸：超导现象的理论解释-bcs

历史回眸：超导现象的理论解释

原文：翻译：葛韶锋

David Lindley

原文网址：

/story/v18/st8

引文

美国物理学会（）已经把自从年以来的所有《物理学评论》期刊放

APS: American 修拉素描 Physical Society1893

到了网上。网站的栏目从这些期刊文章中找出重要的文章写了一些评论，以飨读者。

FocusLandmarks

正文

《物理学评论》于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

1957

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 UrbanaJohn BardeenLeon CooperRobert Schrie道德经读后感 ffer

）的，和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。即所谓的理论，他们的发现还对

BCS

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。

超导现象最早是在年发现的，到上世纪三十年代的时候物理学家们确定超导体中

1911

的电子占据了不同于正常导体中电子的量子态。研究人员们于年发现，水银转变成超

1950

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”（）和他在伊利诺斯大学的同事

Isotope EffectBardeen

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，和博士后以及研究生合作。

BardeenCooperSchrieffer

CooperBardeen-Pines

发表了一篇短文，在这篇文章中他发现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。指出，这种配对的机制可能就是造成超导电性的

[1]Cooper

原因，但是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

Bardeen

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，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

Schrieffer

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。随后将这种物理图像和当时流行的舞蹈作了类比，在这种舞蹈中跳舞

SchriefferFrug

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]

这个小组于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

1957

的（）超导理论。他们于年获得了诺贝尔物理学奖。这个

BCSBardeen-Cooper-Schrieffer1972

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对就会被破坏。来自伊利诺斯大学的超导实验学家

CooperLaura

GreeneBardeen

认为这正体现了的洞察力，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

（）理论的发展。

Symmetry Breaking

虽然年发现的高温超导体依赖于电子的配对，它们在温度高于理论中配对

1986BCS

Marvin Cohen

（加利福尼亚大学伯克利分校）认滋肾丸 为虽然临界温度的时候依然具有超导电性。

对于新材料缺乏理解，原来的结对机制仍然有效。认为，既然从发现超导现象

BCSGreene

开始就花了一些非常聪明的人五十年的时间才找到理论，她并不认为仅仅过了二十年

BCS

就能够解释高温超导现象。

照片由康乃尔大学的提孕妇口臭 供

M. Peck

图示说明：谜被揭开了

超导体会排斥磁场，这使得小的永久磁铁（）能够漂浮在大块的高

Permanent Magnet

温超导体上。在年，也就是在超导现象被发现年之后，理论解释了低温超导现

195750BCS

象。

参考文献：

[1] Leon N. Cooper, "Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas," Phys. Rev. 104 ,

1189 (1956).

[2] Lillian Hoddeson and Vicki Daitch, True Genius: The Life a上嘴唇薄 nd Science of John

Bardeen, (Joph Henry Press, 2002), p. 203.

[3] J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, "给家捎个话打一成语 Microscopic Theory of

Superconductivity商朝四大天王 ," Phys. Rev. 106 , 162 (1957) .

相关资料：

Further reading: Lillian 美国一号 Hoddeson and Vicki Daitch, True Genius: The Life and Science of

John Bardeen, (Joph Henry Press, 2002)

原始文章：

Theory of Superconductivity

J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer

Phys. Rev. 炸酱方便面 108 , 1175

(issue of 1 December 1957)