BCS理论及超导电性

怎样从微观上解释超导电性的宏观规律，一直是物理学的难题，自发现超导电现象后，经过40多年，直到1957年才由巴丁（J.Barden）、库珀（Cooper）、施瑞弗（Scbriffer）三人共同创造了超导微观理论，简称BCS理论。

BCS理论认为，超导电中参与导电的电子是结合成对的，超导电子对不能独立运动。当某一电子受到扰动时，就要涉及到这个电子对的另一个电子，它们的动量和必须是0，这样就使电子不能为晶格所任意散射，只能做有规律的运动，因此就谈不上电阻。电子对中的两个电子相距可能很远，但是密切相连，这只有在低温下才有可能。此时，电子之间的晶格热振动才不会打乱这两个电子之间的关系。

超导电子对的形成机理如下，处于超导态的超导体内的某一个电子e₁在正离子附近运动时，会吸引正离子而使这个区域的局部正电荷密度增加，当另一个电子e₂在这个增强的场中运动时，就会受到这个场的吸引作用，这就是说e₁与e₂之间产生了吸引力。如果这个吸引力大于它们之间的库仑力时，这两个电子便结合成对（见图2-6）。

图2-6 超导电子对的形成示意图

但是这种解释是近似的，因为电子之间的作用还受量子规律的限制，它们之间不是经典的库仑力。因此，只有两个自旋方向相反、动量相等的电子才能形成电子对，成为电子对的两个电子相互作用范围为10^-4～10^-7cm，它随电子平均自由行程的减少而减少，这种相互作用范围大小，称为相关长度ξ，它比晶格中原子间的距离（10^-8cm）要大得多。(www.xing528.com)

一个超导电子对的能量比形成它的两个单独正常电子的能量低2Δ，这个降低的能量称为能隙（见图2-7）；因此，超导电子对处于更稳定的状态，正常电子则处于能量更高的状态。

图2-7 超导体能隙

能隙的大小与温度有关，在0K时，2Δ=3.5kT，其值最大。在温度和外加磁场增加时，电子获得能量，能隙减少。当温度和外加磁场强度增加到T_c或H_c时，当电子对获得足够的能量时，就被拆开成为两个独立的正常电子，能隙减少到0，超导体由超导状态变为正常态。