超导现象的物理本质解析

超导的微观物理本质终于在超导现象发现后的46年，即1957年由巴丁（J.Bardeen）、库柏（L.N.Cooper）和施瑞弗（J.R.Sehriffer）等人发现，简称为BCS理论。这个理论认为，超导现象产生的原因是由于超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。如图2-25所示，当超导体内处于超导态的某一电子e₁在晶体中运动时，它周围的正离子点阵将被这个电子吸引，并向该电子靠拢以降低静电能，从而使此局部区域的正电荷密度增加，而这个带正电的区域又会对临近电子e₂产生吸引力，正是由于这种吸引力克服了静电斥力，使动量和自旋方向相反的两个电子e₁、e₂结成了电子对，称为库柏电子对。

图5-25 电子与正离子相互作用形成电子对示意图

显而易见，组成库柏对的电子e₁和e₂之间的这种相互吸引作用与正离子的振动有关，而且在超导体内，这些正离子的运动是相互牵连的，某个正离子的振动，会使邻近正离子也发生振动，一个个传下去，其结果是形成了一个以声速在晶格上传播的波动，即格波。

据理论计算，对能量相近似的两个电子，由晶格引起的这种间接作用力是吸引力。显然电子与晶格间作用越强，这种吸引力就越大。而且根据量子统计法则，如果每对电子的总动量都相等，那么每一对中的两个电子之间的吸引力也大大加强。因此，在电子结成库柏电子对时，每对电子的总动量都是相当的。库柏对中两个电子的相互作用范围为10^-9～10^-6m，而一般晶格中原子之间的距离只有-10¹⁰m，由此看出，互相吸引而结成对的两个电子相距可能很远，这是因为电子是通过格波而在相互作用的。(www.xing528.com)

材料变为超导态后，由于电子结成库柏对，使能量降低而成为一种稳定态。一个超导电子对的能量比形成它的单独的两个正常态的电子的能量低2Δ，这个降低的能量2Δ称为超导体的能隙，而正常态电子则处于能隙以上的能量更高的状态。能隙的大小与温度有关，有关系式

式中，k为玻耳兹曼常数，T_c为由正常态转变为超导态的临界温度。由式可见，T=0时，能隙最大。当电子对获得的能量大于2Δ时就进入正常态，即电子对被拆开成两个独立的正常态电子。当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量，能隙就减小。当温度增加到T=T_c，外磁场强度增加到H=H_c时，能隙减小到零，电子对全部被拆开成正常态电子，于是材料即由超导态转变为正常态。由此可知，为什么温度越低，超导体就越稳定。

前已提及，超导态的电子对有一基本特性，即每个电子对在运动中的总动量保持不变，故在通以直流电时，超导体中的电子对将无阻力地通过晶格运动。这是因为任何时候，晶格（缺陷）散射电子对中的一个电子并改变它的动量时，它也将散射电子对中的另一个电子，在相反方向引起动量的等量变化。因此，成对电子的平均运动不减慢也不加快，这就说明超导态的电子对运动时不消耗能量，因而表现出零电阻的特性，这也是超导体中可以产生永久电流的原因。