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BCS理论【BCS理论】BCS理论是以近自由电子模型为基础，是在电子－声子作用很弱的前提下建立起来的理论 。BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论 。该理论以其发明者巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名 。
基本介绍中文名：BCS理论
外文名：BCS theory
发明者：巴丁，库珀，施里弗
发明时间：1957年
学科：材料工程
领域：工程技术
简介1957年，J.Bardeen, L.N.Cooper & J.R.Schrieffer三人发表文章，首次从微观上揭开了超导电性的秘密 。该理论以三人名字的首字母命名，称之为BCS理论 。BCS理论是以近自由电子模型为基础，是在电子－声子作用很弱的前提下建立起来的理论 。BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论 。相关介绍在足够低的温度下，费米面附近的电子由于Cooper对的形成变得不稳定 。库珀表明，当存在一个引力势的情况下——无论这种势是多幺弱，这种结合就会发生 。在传统的超导体中，引力一般来自于电子与晶格的相互作用，然而，BCS理论只要求有这种引力势存在就可以了，不用管它是怎幺来的 。在BCS理论的框架下，超导是由冷凝库珀对导致的一个巨观效应 。它们有一些玻色子的性质，而玻色子在足够低的温度下，可以在极大程度上形成玻色爱因斯坦凝聚 。在同一时期，超导电性也由尼古拉·波各留波夫通过Bogoliubov变换加以解释 。在超导体中，电子之间（配对所需）的相互吸引力是由电子和晶格振动（声子）之间的相互作用间接导致的 。穿过导体的电子将吸引晶格中邻近的正电荷（导致晶格畸变），这种畸变使得另一个自旋相反的电子进入该高正电荷密度区，这样两个电子就互相关联起来 。因为在超导体中有很多这样的电子对，这些电子对重叠得非常厉害，形成一个高度集中的凝聚体 。在这个“凝聚”态中，拆掉一个电子对会改变整个凝聚体——不仅仅是一个电子,或一个对——的能量，因此，拆掉任何单一的对所需的能量便与拆掉（凝聚体中）所有的电子对（或不仅仅是两个电子）所需的能量相关 。电子的配对会使能量势垒增加，在导体中把电子从振荡的原子中踢除的力（在足够低的温度下这种力很小）不足以影响整个凝聚体，或体内任何一个单个的“库伯对成员”，因此电子配对在一起来抵抗这些踢除的力，而电子作为一个整体流动（即通过超导体的电流）也不会受到阻力 。所以，凝聚体的集体行为是超导所必需的一个关键因素 。BCS理论首先假设电子间有一些可克服库侖斥力的吸引力 。在大多数材料中（在低温超导体中），这种吸引力由电子与晶格的耦合间接导致（如前所述），但是BCS理论的结论并不依赖于引力相互作用的起源 。例如，在超冷费米子气体中，当一个均匀磁场被调到它们的费什巴赫共振时，人们观测到了库伯对 。BCS的原始结论描述了s波超导态，这是低温超导体中的规律，但在许多非常规超导体如d波高温超导体中还没有实现这样的结论 。BCS理论还被加以扩展来描述这些其他情况，虽然这些扩展还不足以完全描述高温超导的观测特徵 。BCS理论能够为描述金属内（互相吸引）的电子系统所形成的量子力学多体态提供一种近似，这种态被称为BCS态 。在金属通常的状态下，电子的移动是独立的；而在BCS态下，它们被引力相互作用绑定成库伯对 。BCS公式是以电子吸引力的简化势为其基础的，利用这种势，人们还提出了一种对于波函式的假说，而这种假说后来也被证明在库伯对密度很高的极限下是精确的 。需要注意的是，关于相互吸引的费米子对疏区和密区连续交替的问题仍然悬而未决，但在超冷气体领域内吸引了很多的关注 。巴丁、库珀和施里弗因为提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖 。不过，BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导，或高温超导的现象 。理论内容某些金属在极低的温度下，其电阻会完全消失，电流可以在其间无损耗的流动，这种现象称为超导 。超导现象于1911年发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释 。BCS理论把超导现象看作一种巨观量子效应 。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流 。在BCS理论提出的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换（英语：Bogoliubov transformation）(Bogoliubov transformation)为人常用 。电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力 。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子之间是不能相互吸引的，不能相互配对，但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子互动作用 。当电子间的这种相互作用在满足一定条件时，可以是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生 。大致上，其机理如下：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” 。