將一通電螺旋管線圈放入超低溫環(huán)境變成超導(dǎo)狀態(tài)？
超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。
1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)——當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。
邁斯納效應(yīng)于1933年被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導(dǎo)錫及鉛樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)。在有磁場(chǎng)的情況下，樣品被冷卻至它們的超導(dǎo)相變溫度以下。在相變溫度以下時(shí)，樣品幾乎抵消掉所有里面的磁場(chǎng)。他們只是間接地探測(cè)到這個(gè)效應(yīng)；因?yàn)槌瑢?dǎo)體的磁通量守恒，當(dāng)里面的場(chǎng)減少時(shí)，外面的場(chǎng)就會(huì)增加。這實(shí)驗(yàn)最早證明超導(dǎo)體不只是完美的導(dǎo)電體，并為超導(dǎo)態(tài)提供一個(gè)獨(dú)特的定義性質(zhì)。
當(dāng)一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體相互靠近時(shí)，磁體的磁場(chǎng)會(huì)使超導(dǎo)體表面中出現(xiàn)超導(dǎo)電流。此超導(dǎo)電流在超導(dǎo)體內(nèi)部形成的磁場(chǎng)，恰好和磁體的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁場(chǎng)抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場(chǎng)。
在弱場(chǎng)下，超導(dǎo)體幾乎“排斥”掉所有的磁通量，磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體。它通過(guò)在其表面建立起電流來(lái)達(dá)到這點(diǎn)。這些表面電流的磁場(chǎng)與外加的磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)互相抵消。由于場(chǎng)排斥（或抵消）并不隨時(shí)間而改變，所以導(dǎo)致這效應(yīng)的電流（又稱持久電流）并不會(huì)因時(shí)間而減弱。因此電導(dǎo)率可被視為無(wú)限：即超導(dǎo)體。
在接近表面的一定距離內(nèi)，磁場(chǎng)并不會(huì)被完全抵消，這個(gè)距離被稱為倫敦穿透深度。每一種超導(dǎo)體都有其特有的穿透深度。
任何完美的零電阻導(dǎo)電體都會(huì)因?yàn)楹?jiǎn)單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，阻止通過(guò)其表面的磁通量改變。然而，超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)跟這個(gè)有區(qū)別：當(dāng)為了在外加磁場(chǎng)下到達(dá)超導(dǎo)態(tài)，而冷卻一般導(dǎo)電體時(shí)，磁通量在相變期間會(huì)被排斥。這樣的效應(yīng)無(wú)法只用無(wú)限電導(dǎo)率來(lái)解釋。它的解釋比這個(gè)更復(fù)雜，最早由弗里茨·倫敦與海因茨·倫敦兩兄弟在倫敦方程中提出。
后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)。
邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。邁斯納效應(yīng)指明了超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無(wú)關(guān)，超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻效應(yīng)又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。
為了使超導(dǎo)材料有實(shí)用性，人們開始了探索高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度）。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K，12月30日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，不久美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武與臺(tái)灣物理學(xué)家吳茂昆以及大陸科學(xué)家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度提高了近100K。大約1993年，鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到138K。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。
超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開始，日本開始試運(yùn)行，但經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢(shì)必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。
超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還處于必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻的狀態(tài)，但它仍舊被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。
超導(dǎo)現(xiàn)象早在1911年就為世人所知。目前我國(guó)關(guān)于超導(dǎo)技術(shù)的各項(xiàng)研發(fā)均已步入正軌，且進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，現(xiàn)已普遍運(yùn)營(yíng)在電力行業(yè)、通信領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及醫(yī)療領(lǐng)域等。
在我國(guó)關(guān)于超導(dǎo)的研發(fā)中，超導(dǎo)材料經(jīng)營(yíng)經(jīng)歷了低溫到高溫的研發(fā)，第一代材料已經(jīng)研究成熟，第二代材料由于其成本低更適用于產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作而被市場(chǎng)看好;超導(dǎo)產(chǎn)品品類逐漸增加，現(xiàn)已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的有超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。雖然與國(guó)際尚有一定的差距，但部分領(lǐng)域的研發(fā)已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平。
由于超導(dǎo)技術(shù)被認(rèn)為將在一定程度上決定一個(gè)國(guó)家智能電網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此，對(duì)于超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)而言，“十二五”期間，我國(guó)智能電網(wǎng)的全面建設(shè)將給該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的發(fā)展契機(jī)。
超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)或?qū)⒂瓉?lái)“十年十倍”的快速增長(zhǎng)，未來(lái)十年我國(guó)超導(dǎo)市場(chǎng)的規(guī)模約為1300-1600億元，預(yù)計(jì)到2020年，該產(chǎn)值將達(dá)到750億美元。
那么人們是如何解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的？?jī)?nèi)部機(jī)制是如何的？繼續(xù)看看下文內(nèi)容。1950年 美籍德國(guó)人弗茹里赫與美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的巴丁經(jīng)過(guò)復(fù)雜的研究和推論后，同時(shí)提出：超導(dǎo)電性是電子與聲子相互作用而產(chǎn)生的。他們認(rèn)為金屬中的電子在點(diǎn)陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動(dòng)，并吸引其它電子形成了超導(dǎo)電流。
接著，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的巴丁、庫(kù)柏和斯里弗提出超導(dǎo)電量子理論，他們認(rèn)為：在超導(dǎo)態(tài)金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(duì)，無(wú)數(shù)電子對(duì)相互重疊又常?；Q搭配對(duì)象形成一個(gè)整體，電子對(duì)作為一個(gè)整體的流動(dòng)產(chǎn)生了超導(dǎo)電流。由于拆開電子對(duì)需要一定能量，因此超導(dǎo)體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預(yù)言了電子對(duì)能隙的存在，成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象，被科學(xué)家界稱作“巴庫(kù)斯理論”。這一理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)理論的正式建立，使超導(dǎo)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
1953年 畢派德推廣了倫敦的概念并得到與實(shí)驗(yàn)基本相符的超導(dǎo)穿透深度的數(shù)值。
1960-1961年 美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成隧道元件進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，直接觀測(cè)到了超導(dǎo)能隙，證明了巴庫(kù)斯理論。他在大量實(shí)驗(yàn)中，曾多次測(cè)量到零電壓的超導(dǎo)電流，但未引起他的重視。
1962年 年僅20多歲的劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究生約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對(duì)可以通過(guò)氧化層形成無(wú)阻的超導(dǎo)電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當(dāng)外加直流電壓為V時(shí)，除直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入氧化層，這時(shí)超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場(chǎng)大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
在這里我總結(jié)一下超導(dǎo)理論研究：為闡明超導(dǎo)體的機(jī)理，科學(xué)家提出了多種理論，包括：1935年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與弱磁場(chǎng)關(guān)系的London方程，上面已經(jīng)提到了；1950~1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理論；1950年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與強(qiáng)磁場(chǎng)（接近臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度）關(guān)系的GL（Ginzburg-Landau）理論；1957年提出的，從微觀機(jī)制上解釋第一類超導(dǎo)體的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論等。其中比較重要的理論有BCS理論、GL理論。
BCS理論是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，以弱電子－聲子相互作用為前提建立的理論。理論的提出者是巴丁（J.Bardeen）、庫(kù)珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。
BCS理論認(rèn)為，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。對(duì)于庫(kù)珀對(duì)產(chǎn)生的原因，BCS理論做出了如下解釋：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，沒有電阻，從而形成超導(dǎo)電流。
在這里很多朋友，對(duì)于晶格這個(gè)概念不熟悉。晶格其實(shí)就是指導(dǎo)體的空間排列。晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的。為了便于理解，把原子看成是一個(gè)球體，則金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律堆積而成的物體。為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律，可以將原子簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)，用假想的線將這些連接起來(lái)，構(gòu)成有明顯規(guī)律性的空間格架。這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架叫做晶格，又稱晶架。
BCS理論很好地從微觀上解釋了第一類超導(dǎo)體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫(kù)珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但BCS理論無(wú)法解釋第二類超導(dǎo)體存在的原因，尤其是根據(jù)BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K），早已被第二類超導(dǎo)體突破。
GL理論是在朗道二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上提出的唯象理論。理論的提出者是京茨堡（Ginzburg）、朗道（Landau）。
GL理論的提出是基于以下考慮：當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度接近超導(dǎo)體的臨近磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，超導(dǎo)體的電流不服從線性規(guī)律，且超導(dǎo)體的零點(diǎn)振動(dòng)能不可忽略。
GL理論的最大貢獻(xiàn)在于預(yù)見了第二類超導(dǎo)體的存在。從GL理論出發(fā)，可以引出表面能κ的概念。當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時(shí)，為第一類超導(dǎo)體；當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時(shí)，為第二類超導(dǎo)體。
超導(dǎo)體的分類方法有以下幾種：
（1）根據(jù)材料對(duì)于磁場(chǎng)的響應(yīng)：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。從宏觀物理性能上看，第一類超導(dǎo)體只存在單一的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度；第二類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度值，在兩個(gè)臨界值之間，材料允許部分磁場(chǎng)穿透材料。從理論上看，如上文“理論解釋”中的GL理論所言，參數(shù)κ是劃分兩類超導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)。
在已發(fā)現(xiàn)的元素超導(dǎo)體中，第一類超導(dǎo)體占大多數(shù)，只有釩、鈮、锝屬于屬于第二類超導(dǎo)體；但很多合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體都屬于第二類超導(dǎo)體。
（2）根據(jù)解釋理論：傳統(tǒng)超導(dǎo)體（可以用BCS理論或其推論解釋）和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體（不能用BCS理論解釋）。
（3）根據(jù)臨界溫度：高溫超導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度高于液氮溫度（大于77K）的超導(dǎo)體，低溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度低于液氮溫度（小于77K）的超導(dǎo)體。
（4）根據(jù)材料類型：元素超導(dǎo)體（如鉛和水銀）、合金超導(dǎo)體（如鈮鈦合金）、氧化物超導(dǎo)體（如釔鋇銅氧化物）、有機(jī)超導(dǎo)體（如碳納米管）。
這一章內(nèi)容，概念其實(shí)非常多。但沒有辦法，理論發(fā)展成這樣了，我們就得這樣去理解。不過(guò)在最后，我會(huì)用通俗的語(yǔ)言，給你再解釋一下。
不過(guò)這個(gè)時(shí)候，還有必要解釋BCS理論。你如果不了解我整理的這些資料內(nèi)容，后面的結(jié)論和推理，你就會(huì)迷糊。BCS理論是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，是在電子－聲子作用很弱的前提下建立起來(lái)的理論。BCS 理論是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論。
BCS理論把超導(dǎo)現(xiàn)象看作一種宏觀量子效應(yīng)。它提出，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成所謂“庫(kù)珀對(duì)”，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。在BCS理論提出的同時(shí)，尼科萊·勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）也獨(dú)立的提出了超導(dǎo)電性的量子力學(xué)解釋，他使用的勃格留波夫變換（英語(yǔ)：Bogoliubov transformation）為人常用。
電子間的直接相互作用是相互排斥的庫(kù)倫力。如果僅僅存在庫(kù)倫力直接作用的話，電子之間是不能相互吸引的，不能相互配對(duì)，但電子間還存在以晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接相互作用：電聲子交互作用。當(dāng)電子間的這種相互作用在滿足一定條件時(shí)，可以是相互吸引的，正是這種吸引作用導(dǎo)致了“庫(kù)珀對(duì)”的產(chǎn)生。大致上，其機(jī)理如下：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。
庫(kù)珀對(duì)的能量很弱，在10-3eV 量級(jí)，熱能能夠很容易的打破庫(kù)珀對(duì)。所以，只有在低溫下庫(kù)珀對(duì)才能穩(wěn)定存在。這就是為什么超導(dǎo)現(xiàn)象必須在低溫下出現(xiàn)。
庫(kù)珀對(duì)中的電子未必是緊緊地在一起，而是一種長(zhǎng)程的配對(duì)，配對(duì)的電子可能相距幾百納米。
在足夠低的溫度下，費(fèi)米面附近的電子由于庫(kù)珀對(duì)的形成變得不穩(wěn)定。費(fèi)米面是最高占據(jù)能級(jí)的等能面，是當(dāng)T=0時(shí)電子占據(jù)態(tài)與非占據(jù)態(tài)的分界面。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體和絕緣體不用費(fèi)米面。而用價(jià)帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理，其在單粒子能級(jí)上分布幾率遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。庫(kù)珀表明，當(dāng)存在一個(gè)引力勢(shì)的情況下——無(wú)論這種勢(shì)是多么弱，這種結(jié)合就會(huì)發(fā)生。
在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，引力一般來(lái)自于電子與晶格的相互作用，然而，BCS理論只要求有這種引力勢(shì)存在就可以了，不用管它是怎么來(lái)的。在BCS理論的框架下，超導(dǎo)是由冷凝庫(kù)珀對(duì)導(dǎo)致的一個(gè)宏觀效應(yīng)。它們有一些玻色子的性質(zhì)，而玻色子在足夠低的溫度下，可以在極大程度上形成玻色愛因斯坦凝聚。
在超導(dǎo)體中，電子之間（配對(duì)所需）的相互吸引力是由電子和晶格振動(dòng)（聲子）之間的相互作用間接導(dǎo)致的。
穿過(guò)導(dǎo)體的電子將吸引晶格中鄰近的正電荷（導(dǎo)致晶格畸變），這種畸變使得另一個(gè)自旋相反的電子進(jìn)入該高正電荷密度區(qū)，這樣兩個(gè)電子就互相關(guān)聯(lián)起來(lái)。因?yàn)樵诔瑢?dǎo)體中有很多這樣的電子對(duì)，這些電子對(duì)重疊得非常厲害，形成一個(gè)高度集中的凝聚體。在這個(gè)“凝聚”態(tài)中，拆掉一個(gè)電子對(duì)會(huì)改變整個(gè)凝聚體——不僅僅是一個(gè)電子,或一個(gè)對(duì)的能量，因此，拆掉任何單一的對(duì)所需的能量便與拆掉（凝聚體中）所有的電子對(duì)（或不僅僅是兩個(gè)電子）所需的能量相關(guān)。電子的配對(duì)會(huì)使能量勢(shì)壘增加，在導(dǎo)體中把電子從振蕩的原子中踢除的力（在足夠低的溫度下這種力很小）不足以影響整個(gè)凝聚體，或體內(nèi)任何一個(gè)單個(gè)的“庫(kù)伯對(duì)成員”，因此電子配對(duì)在一起來(lái)抵抗這些踢除的力，而電子作為一個(gè)整體流動(dòng)（即通過(guò)超導(dǎo)體的電流）也不會(huì)受到阻力。所以，凝聚體的集體行為是超導(dǎo)所必需的一個(gè)關(guān)鍵因素。
BCS理論首先假設(shè)電子間有一些可克服庫(kù)侖斥力的吸引力。在大多數(shù)材料中（在低溫超導(dǎo)體中），這種吸引力由電子與晶格的耦合間接導(dǎo)致（如前所述）這種效應(yīng)是由于電子-聲子耦合，聲子正是這些帶正電荷的晶格的基體運(yùn)動(dòng)，但是BCS理論的結(jié)論并不依賴于引力相互作用的起源。
例如，在超冷費(fèi)米子氣體中，當(dāng)一個(gè)均勻磁場(chǎng)被調(diào)到它們的費(fèi)什巴赫共振時(shí)，人們觀測(cè)到了庫(kù)伯對(duì)。BCS的原始結(jié)論描述了s波超導(dǎo)態(tài)，這是低溫超導(dǎo)體中的規(guī)律，但在許多非常規(guī)超導(dǎo)體如d波高溫超導(dǎo)體中還沒有實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)論。
BCS理論還被加以擴(kuò)展來(lái)描述這些其他情況，雖然這些擴(kuò)展還不足以完全描述高溫超導(dǎo)的觀測(cè)特征。
BCS理論能夠?yàn)槊枋鼋饘賰?nèi)（互相吸引）的電子系統(tǒng)所形成的量子力學(xué)多體態(tài)提供一種近似，這種態(tài)被稱為BCS態(tài)。在金屬通常的狀態(tài)下，電子的移動(dòng)是獨(dú)立的；而在BCS態(tài)下，它們被引力相互作用綁定成庫(kù)伯對(duì)。BCS公式是以電子吸引力的簡(jiǎn)化勢(shì)為其基礎(chǔ)的，利用這種勢(shì)，人們還提出了一種對(duì)于波函數(shù)的假說(shuō)，而這種假說(shuō)后來(lái)也被證明在庫(kù)伯對(duì)密度很高的極限下是精確的。需要注意的是，關(guān)于相互吸引的費(fèi)米子對(duì)疏區(qū)和密區(qū)連續(xù)交替的問題仍然懸而未決，但在超冷氣體領(lǐng)域內(nèi)吸引了很多的關(guān)注。不過(guò)，BCS理論并無(wú)法成功的解釋所謂第二類超導(dǎo)，或高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象。
那么BCS理論有哪些實(shí)驗(yàn)支撐呢？電子是如何通過(guò)晶格相互作用形成Cooper對(duì)的，這一過(guò)程又是如何進(jìn)一步發(fā)展為BCS超導(dǎo)理論的呢？找到費(fèi)米能級(jí)中的的微小帶隙就是完成這一理論拼圖的關(guān)鍵。這些證據(jù)來(lái)自于：臨界溫度的存在，臨界磁場(chǎng)的存在以及I型超導(dǎo)體熱容量指數(shù)變化的性質(zhì)。電子與晶格相互作用形成Cooper對(duì)的證據(jù)首先來(lái)自臨界溫度的同位素效應(yīng) 。
如果汞中的電傳導(dǎo)是純電子的，則其不應(yīng)該依賴于核質(zhì)量。超導(dǎo)體臨界溫度對(duì)同位素質(zhì)量的依賴性是電子與晶格之間相互作用的第一個(gè)直接證據(jù)。這支持了電子對(duì)晶格耦合的BCS理論。
可以非常顯著觀測(cè)到的是，像零電阻率的過(guò)渡這樣的電現(xiàn)象應(yīng)該僅僅涉及晶格的空間結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕R界溫度時(shí)的變化需要有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變相關(guān)的環(huán)境能量的變化，所以這表明有部分能量被用于轉(zhuǎn)移晶格中的原子，因?yàn)槟芰侩S著晶格的質(zhì)量發(fā)生了改變。
這一現(xiàn)象不僅指出晶格振動(dòng)是形成超導(dǎo)效應(yīng)的重要部分，也成為了BCS理論發(fā)展中是一個(gè)重要線索，因?yàn)樗岢隽司Ц耨詈?，以及量子過(guò)程中的聲子這些概念。
各位上面說(shuō)了，除了BCS理論，還有一個(gè)叫GL理論，也是解釋超導(dǎo)的。這個(gè)理論可以彌補(bǔ)BCS理論的不足。GL理論也叫金茲堡-朗道理論(GLTheory)，是一種重要的唯象超導(dǎo)理論(1950)。與London方程及Pippard非局域理論相比較，GL理論獨(dú)到之處是可以處理強(qiáng)磁場(chǎng)和超導(dǎo)電子密度在空間不均勻的情況。超導(dǎo)性的唯象理論，是結(jié)合了超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)和熱力學(xué)特性，為超導(dǎo)相變給予熱力學(xué)解釋而提出的。此理論可以由BCS理論得到，它能相當(dāng)好地描述第Ⅱ類超導(dǎo)體的磁學(xué)性能。
Gor'kov(1959)證明GL理論實(shí)際是BCS理論的一個(gè)極限形式。GL理論引入了超導(dǎo)體的另一特征長(zhǎng)度(T)，依賴于溫度的相干長(zhǎng)度，為標(biāo)定Ψ (r)能夠變化而不引起較大能量增加的距離。GL理論可以計(jì)算疇壁能量參數(shù)，處理細(xì)絲和薄膜的臨界電流，說(shuō)明磁通量子化，說(shuō)明超導(dǎo)相的成核等。Ahrikosov仔細(xì)研究了GL方程，用來(lái)處理第類超導(dǎo)體。
上文中還反復(fù)提到聲子的概念。大概可以這樣理解聲子，聲子其實(shí)不是一種實(shí)粒子。它是一種假象粒子。聲子用來(lái)描述晶格的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，是固體理論中很重要的一個(gè)概念。
按照量子力學(xué)，物體是由大量的原子構(gòu)成，每種原子又都含有原子核和電子，因此固體內(nèi)存在原子核之間的相互作用、電子間的相互作用還有原子核與電子間的相互作用。電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用密度泛函理論得到，那么原子核的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就用聲子來(lái)描述。當(dāng)然這兩個(gè)理論（密度泛函和聲子）都是近似的，因?yàn)榻馕龅膰?yán)格解到目前為止還沒有得到。而要嚴(yán)格的按照多體理論來(lái)描述這么大量的原子和電子組成的系統(tǒng)，無(wú)論解析還是數(shù)值模擬都是一個(gè)未知數(shù)。
聲子是簡(jiǎn)諧近似下的產(chǎn)物，如果振動(dòng)太劇烈，超過(guò)小振動(dòng)的范圍，那么晶格振動(dòng)就要用非簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論描述。
聲子并不是一個(gè)真正的粒子，聲子可以產(chǎn)生和消滅，有相互作用的聲子數(shù)不守恒，聲子動(dòng)量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。聲子只是格波激發(fā)的量子，在多體理論中稱為集體振蕩的元激發(fā)或準(zhǔn)粒子。
聲子的化學(xué)勢(shì)為零，屬于玻色子，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。聲子本身并不具有物理動(dòng)量，但是攜帶有準(zhǔn)動(dòng)量，并具有能量。讀到這個(gè)聲子概念，是不是有一種豁然開朗的感覺。
其實(shí)對(duì)于弄懂BCS理論，要理解很多概念，比如能帶，價(jià)帶，能隙，聲子，諧振子等。
因?yàn)槟軒Ю碚撌茄芯抗腆w中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種近似理論。原子包括原子核和外層電子，它們均處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為使問題簡(jiǎn)化，首先假定固體中的原子核固定不動(dòng)，并按一定規(guī)律作周期性運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)一步認(rèn)為每個(gè)電子都是在固定的原子核周期勢(shì)場(chǎng)及其他電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這就把整個(gè)問題簡(jiǎn)化成單電子問題。能帶理論近似屬這種單電子近似理論，首先由F.布洛赫和L.-N.布里淵在解決金屬的導(dǎo)電性問題時(shí)提出。
晶體中電子所能具有的能量范圍，在物理學(xué)中往往形象化地用一條條水平橫線表示電子的各個(gè)能量值。能量愈大，線的位置愈高，一定能量范圍內(nèi)的許多能級(jí)（彼此相隔很近）形成一條帶，稱為能帶。
各種晶體能帶數(shù)目及其寬度等都不相同。相鄰兩能帶間的能量范圍稱為“能隙”或“禁帶”。晶體中電子不能具有這種能量。完全被電子占據(jù)的能帶稱“滿帶”。滿帶中的電子不會(huì)導(dǎo)電；完全未被占據(jù)的稱“空帶”；部分被占據(jù)的稱“導(dǎo)帶”。導(dǎo)帶中的電子能夠?qū)щ?；價(jià)電子所占據(jù)能帶稱“價(jià)帶”。能量比價(jià)帶低的各能帶一般都是滿帶，價(jià)帶可以是滿帶，也可以是導(dǎo)帶；如在金屬中是導(dǎo)帶，所以金屬能導(dǎo)電。在絕緣體中和半導(dǎo)體中是滿帶所以它們不能導(dǎo)電。但半導(dǎo)體很容易因其中有雜質(zhì)或受外界影響（如光照，升溫等），使價(jià)帶中的電子數(shù)目減少，或使空帶中出現(xiàn)一些電子而成為導(dǎo)帶,因而也能導(dǎo)電。
固體的導(dǎo)電性能由其能帶結(jié)構(gòu)決定。對(duì)一價(jià)金屬，價(jià)帶是未滿帶，故能導(dǎo)電。對(duì)二價(jià)金屬，價(jià)帶是滿帶，但禁帶寬度為零，價(jià)帶與較高的空帶相交疊，滿帶中的電子能占據(jù)空帶，因而也能導(dǎo)電，絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，價(jià)帶為滿帶，價(jià)帶與空帶間存在禁帶。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的禁帶寬度從0.1～2.0eV，π-π共軛聚合物的能帶隙大致在1.4～4.2eV,絕緣體的禁帶寬度大于4.5eV。在任何溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，滿帶中的電子總會(huì)有一些具有足夠的能量激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶。由于絕緣體的禁帶寬度較大，常溫下從滿帶激發(fā)到空帶的電子數(shù)微不足道，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電性能差。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，滿帶中的電子只需較小能量就能激發(fā)到空帶中，宏觀上表現(xiàn)為有較大的電導(dǎo)率。
能帶理論在闡明電子在晶格中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、固體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、合金的某些性質(zhì)和金屬的結(jié)合能等方面取得了重大成就，但它畢竟是一種近似理論，存在一定的局限性。例如某些晶體的導(dǎo)電性不能用能帶理論解釋，即電子共有化模型和單電子近似不適用于這些晶體。多電子理論建立后，單電子能帶論的結(jié)果常作為多電子理論的起點(diǎn)，在解決現(xiàn)代復(fù)雜問題時(shí)，兩種理論是相輔相成的。
所以通俗的解釋可以則用的：在低溫情況下，電子通過(guò)聲子與其他電子形成庫(kù)珀對(duì)。
庫(kù)珀對(duì)是集聚在費(fèi)米面，即高能區(qū)域面。因?yàn)榈湍軈^(qū)域面已經(jīng)被占據(jù)了。因?yàn)榻饘僦械淖杂呻娮訚M足泡利不相容原理，其在單粒子能級(jí)上分布幾率遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。
庫(kù)珀對(duì)具體是如何形成的，可以這樣理解：金屬中的電子可以看作自由粒子，電子與電子之間存在庫(kù)倫排斥作用，但是與組成晶格的陽(yáng)離子之間存在著吸引力，這個(gè)吸引力會(huì)使晶格發(fā)生畸變，陽(yáng)離子輕微地靠近電子，從而增加了附近晶格的正電荷密度。而這些正電荷則會(huì)吸引其他電子。長(zhǎng)距離下，這些電子與陽(yáng)離子的吸引力會(huì)克服電子間的排斥力而配對(duì)。
嚴(yán)格的量子力學(xué)的解釋表明這種效應(yīng)是由于電子-聲子耦合。形成庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子，一個(gè)自旋向上，另一個(gè)自旋向下。在低溫條件下，這個(gè)庫(kù)珀對(duì)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有電阻，形成所謂的“超導(dǎo)現(xiàn)象”。
BCS理論很成功，但隨著超導(dǎo)現(xiàn)象的深入研究，質(zhì)疑聲不斷。有如下幾點(diǎn)。
1、我們知道，將一超導(dǎo)圓環(huán)放在磁場(chǎng)中并冷卻到臨界溫度以下，突然撤去磁場(chǎng)，則在超導(dǎo)環(huán)中將產(chǎn)生感生超導(dǎo)電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此電流可以持續(xù)幾年也未發(fā)現(xiàn)有明顯變化。根據(jù)BCS電子配對(duì)理論，超導(dǎo)圓環(huán)內(nèi)的電子全部配對(duì)成功，那么這兩束電子是如何形成超導(dǎo)電流的？它們又是如何保證幾年都不發(fā)生碰撞？
2、BCS理論最重要的預(yù)言是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的極限是30K，后來(lái)麥克米蘭把這個(gè)極限值提高到39K。在1986年之前，BCS理論的預(yù)言一直成立，這個(gè)神話般的預(yù)言終于在1986年被打破，瑞士科學(xué)家柏諾茲和繆勒（1987年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）首先發(fā)現(xiàn)氧化物高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K，很快美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中科院物理所趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的研究組，他們先后把超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度推到液氮溫區(qū)（77K以上）。不久朱經(jīng)武的研究小組又把Tc提高到令人不可思議的164K。
1987年2月16日 美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)宣布，朱經(jīng)武與吳茂昆獲得轉(zhuǎn)變溫度為98K的超導(dǎo)體。
1987年2月20日中國(guó)也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。1987年3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。
1987年3月12日 中國(guó)北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。
1987年3月27日美國(guó)華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。
1987年12月30日 美國(guó)休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到140.2K?？偨Y(jié)起來(lái)就是一句話，該理論不能解釋高溫超導(dǎo)問題。不過(guò)上面提到的GL超導(dǎo)理論可以。而有學(xué)者認(rèn)為GL理論可以從BCS理論推出來(lái)。
3、庫(kù)珀對(duì)的形成機(jī)制。能隙，能帶這樣的理論，很符合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。庫(kù)珀對(duì)是電子-聲子耦合形成。但聲子是個(gè)概念，其實(shí)是振動(dòng)的最小能量。本身不是一個(gè)粒子。所以說(shuō)庫(kù)珀對(duì)有建立在虛粒子基礎(chǔ)之上的嫌疑。那么BCS理論的可信度，就會(huì)下降。
4、同位素系數(shù)問題。這個(gè)是我在科學(xué)網(wǎng)上看到的。內(nèi)容是這樣的：談及反對(duì)BCS理論，一定要提美國(guó)物理學(xué)家Hirsch，他以“H-因子”而聞名科學(xué)界。最近他發(fā)表了一篇相當(dāng)轟動(dòng)的文章：BCS theory of superconductivity: the world’s largest Madoff scheme?（BCS超導(dǎo)理論：世界最大的麥道夫騙局），在論文中，他列舉了BCS理論的十個(gè)錯(cuò)誤，把BCS理論批得體無(wú)完膚。據(jù)Hirsch本人介紹，這篇“極其反動(dòng)”的學(xué)術(shù)論文先后投送多家著名學(xué)術(shù)期刊，都被編輯或?qū)徃迦艘愿鞣N莫須有的罪名槍斃了，最后只能委身于某三流的SCI期刊。
BCS理論的核心是所謂的電-聲子相互作用的電子配對(duì)，BCS理論是對(duì)還是錯(cuò)？有一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，那就是公式（1）的超導(dǎo)同位素效應(yīng)，公式中A是常數(shù)，Tc是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，M是同位素質(zhì)量，a為同位素效應(yīng)系數(shù)，如果BCS理論正確，系數(shù)a必須嚴(yán)格地等于0.5。最早支持BCS理論的是汞（Hg）同位素效應(yīng)，如下圖所示。這圖出現(xiàn)在幾乎所有超導(dǎo)相關(guān)的教科書中，陸陸續(xù)續(xù)科學(xué)家在錫、鉛等超導(dǎo)材料中也發(fā)現(xiàn)了0.5的關(guān)系，多少人驚嘆BCS理論真乃神來(lái)之筆！盡管后來(lái)發(fā)現(xiàn)鋯（Zr）的超導(dǎo)同位素系數(shù)a=0，而鈾（U）的超導(dǎo)同位素系數(shù)a=-2，面對(duì)如此離奇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人們還是迷信巴丁不會(huì)錯(cuò)，BCS理論不會(huì)有問題。
5、對(duì)于不同超導(dǎo)材料，需要用到不同的理論解釋。這個(gè)也有疑惑。超導(dǎo)理論應(yīng)該是一個(gè)統(tǒng)一的理論。就是對(duì)于不同的材料，用同一個(gè)理論進(jìn)行解釋。
那么問題來(lái)了，超導(dǎo)現(xiàn)在究竟該如何解釋？BCS理論有哪些需要修正的地方？如何是你該理論的捍衛(wèi)者，你如何回答這些質(zhì)疑？如果你不是該理論的捍衛(wèi)者，你又有哪些想法？
我們來(lái)分析一下超導(dǎo)現(xiàn)象。有三個(gè)特點(diǎn)。
1、低溫條件下出現(xiàn)。
2、零電阻效應(yīng)，即處于超導(dǎo)態(tài)的金屬，直流電阻率為0（或者無(wú)限接近于0）。
3、邁斯納效應(yīng)。即超導(dǎo)體從一般狀態(tài)相變至超導(dǎo)態(tài)的過(guò)程中對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象，于1933年時(shí)被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導(dǎo)錫及鉛樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)。在有磁場(chǎng)的情況下，樣品被冷卻至它們的超導(dǎo)相變溫度以下。在相變溫度以下時(shí)，樣品幾乎抵消掉所有里面的磁場(chǎng)。他們只是間接地探測(cè)到這個(gè)效應(yīng)；因?yàn)槌瑢?dǎo)體的磁通量守恒，當(dāng)里面的場(chǎng)減少時(shí)，外面的場(chǎng)就會(huì)增加。這實(shí)驗(yàn)最早證明超導(dǎo)體不只是完美的導(dǎo)電體，并為超導(dǎo)態(tài)提供一個(gè)獨(dú)特的定義性質(zhì)。
當(dāng)一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體相互靠近時(shí)，磁體的磁場(chǎng)會(huì)使超導(dǎo)體表面中出現(xiàn)超導(dǎo)電流。此超導(dǎo)電流在超導(dǎo)體內(nèi)部形成的磁場(chǎng)，恰好和磁體的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁場(chǎng)抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場(chǎng)。
本質(zhì)上來(lái)講，超導(dǎo)現(xiàn)象屬于電磁學(xué)現(xiàn)象，所以應(yīng)該電磁學(xué)現(xiàn)象入手去解決。也就是從電荷理論，電磁學(xué)理論去解決。這是我的第一想法。BCS理論卻不是這樣的，它是以量子力學(xué)手段去解決的。
當(dāng)然電磁學(xué)理論本身就是承上啟下的理論。即是經(jīng)典物理理論，也是量子力學(xué)理論。所以這個(gè)不是不足之處。
另外超導(dǎo)現(xiàn)象，看似簡(jiǎn)單，其實(shí)算是復(fù)雜的。低溫情況，你要考慮到熱力學(xué)問題。零電阻效應(yīng)你要考慮到物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題。邁斯納效應(yīng)你要考慮到電磁學(xué)理論，電荷理論，這樣就會(huì)延伸到量子力學(xué)中來(lái)。
所以應(yīng)該這樣的分析，非超導(dǎo)現(xiàn)象的時(shí)候，電流在導(dǎo)體中傳播受電阻影響會(huì)產(chǎn)生熱。這說(shuō)明什么呢？常溫下，電流和導(dǎo)體是有能量交互的，所以有損耗能量。通俗的講，你可以這樣理解，常溫下構(gòu)成導(dǎo)體的粒子比低溫下，更加活躍和混亂，彼此之間流動(dòng)是各自為號(hào)角行動(dòng)。所以粒子和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的“摩擦”會(huì)很多。再講一個(gè)比喻就是沒有信號(hào)燈指揮的時(shí)候，十字路口擁擠混亂，有信號(hào)燈的時(shí)候，路就暢通了。
而低溫條件，就好像是號(hào)角，就好像是信號(hào)燈。給了所有電子一個(gè)信號(hào)，集合了，要統(tǒng)一有序行動(dòng)。這樣摩擦就突然沒有了，就是超導(dǎo)狀態(tài)。而且低溫條件，也會(huì)改變導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)態(tài)，也更加利于電流的暢通無(wú)阻。
大家不要忘記，前面我們說(shuō)的，玻色——愛因斯坦凝聚態(tài)。也是在低溫環(huán)境下出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，還有超流體。當(dāng)我們開始將原子冷卻到接近絕對(duì)零度的極低溫度時(shí)，我們開始看到一些奇怪的事情發(fā)生。事實(shí)上，許多這些奇特的現(xiàn)象導(dǎo)致非常實(shí)際的用途。當(dāng)氣體冷卻時(shí)，我們觀察到玻色 - 愛因斯坦凝聚體，其中所有原子處于相同的量子宏觀狀態(tài)。
氦-4在冷卻到臨界溫度以下時(shí)表現(xiàn)出超流性，在這里流體可以無(wú)任何阻力地流動(dòng)，但具有可以在不破壞超流體的情況下流動(dòng)的最大速度。當(dāng)一些固體冷卻到臨界溫度時(shí)，我們會(huì)看到超導(dǎo)行為，電流可以在沒有任何阻力和能量損失的情況下流動(dòng)。此外，這些還會(huì)使材料外部的磁通量排出，從而導(dǎo)致外部磁場(chǎng)產(chǎn)生懸浮效應(yīng); 這被稱為邁斯納效應(yīng)。
這些效應(yīng)的出現(xiàn)都和低溫條件有關(guān)，這就是一個(gè)很很重要的條件。針對(duì)BCS理論的缺陷，我們完全可以提出大膽修正。將超導(dǎo)理論和凝聚態(tài)，以及超流體理論去靠攏。然后再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上，再?gòu)牧孔邮侄稳ソ忉尅＿@是方法。
庫(kù)珀對(duì)概念，可以有，而且實(shí)驗(yàn)有這樣檢測(cè)的跡象。但庫(kù)珀對(duì)的概念要有修動(dòng)。改成庫(kù)珀團(tuán)更合適。本來(lái)由于泡利不相容原理，不同的費(fèi)米子不能占據(jù)同一量子態(tài)，因此費(fèi)米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。
但科學(xué)家通過(guò)一種叫庫(kù)柏對(duì)的機(jī)制，可以將費(fèi)米子【電子】結(jié)合在一起，形成具有玻色性子的“費(fèi)米子”。這樣這些費(fèi)米子就可以在溫度達(dá)到極限的時(shí)候，慢慢占據(jù)最低能態(tài)，就好像大家約好了一群走到一個(gè)地方。這個(gè)時(shí)候注意了，是占據(jù)最低能態(tài)，不是費(fèi)米面了。
那么可能有的同學(xué)會(huì)問了：“通過(guò)庫(kù)柏機(jī)制形成的費(fèi)米子組合是玻色子嗎？”
上文說(shuō)中把兩個(gè)費(fèi)米子結(jié)合在一起成為具有玻色子性質(zhì)的“費(fèi)米子對(duì)”即庫(kù)柏對(duì)。就是回答了這個(gè)問題，即組合的費(fèi)米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性質(zhì)。不過(guò)從自旋方面來(lái)說(shuō)，這些組合粒子也是整數(shù)自旋。但從根本上的統(tǒng)計(jì)來(lái)說(shuō)，是不同的。
什么是庫(kù)柏對(duì)，是指電子結(jié)合在一起的狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，電子之間都有微小的引力，由此使得電子的能量低于費(fèi)米能時(shí)，電子就會(huì)結(jié)合在一起，這一能量降低大約是1meV的量級(jí)，一般的溫度對(duì)應(yīng)熱運(yùn)動(dòng)能量相對(duì)很大，因此庫(kù)柏對(duì)的現(xiàn)象通常要在低溫下超導(dǎo)狀態(tài)才會(huì)出現(xiàn)。
玻色子的凝聚是說(shuō)所有的粒子的波函數(shù)完全一樣，但是費(fèi)米子的凝聚是說(shuō)，復(fù)合子的兩個(gè)費(fèi)米子的動(dòng)量k都不一樣，但是它們總的動(dòng)量都是一樣的, 所以凝聚是總動(dòng)量的凝聚。這也可以從它們的波函數(shù)上看出來(lái)。
還可以這樣表述：在庫(kù)柏機(jī)制下，費(fèi)米子對(duì)可形成束縛態(tài)，就像一個(gè)復(fù)合粒子（原子就是一種典型的復(fù)合粒子），而這個(gè)復(fù)合粒子表現(xiàn)為一個(gè)玻色子，所以，費(fèi)米子對(duì)凝聚態(tài)本質(zhì)上就是玻色愛因斯坦凝聚態(tài)?！疽簿褪钦f(shuō)沒有玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)機(jī)制，費(fèi)米子凝聚不可能存在！】當(dāng)物質(zhì)冷卻時(shí)，費(fèi)米子逐漸占據(jù)最低能態(tài)，但它們處在不同的能態(tài)上，就像人群涌向一段狹窄的樓梯，這種集聚可以理解BCS關(guān)于庫(kù)珀對(duì)在費(fèi)米面的聚合。這個(gè)時(shí)候的電子流有類似于超流體的性質(zhì)。而且這個(gè)能帶的導(dǎo)電性能達(dá)到最高，晶格的振動(dòng)也達(dá)到最低能態(tài)。也就是這個(gè)時(shí)候，其實(shí)用聲子—電子耦合為庫(kù)珀對(duì)的理論，不再適合。因?yàn)槁曌颖旧硎抢硐敫拍?。不如從低溫條件改變晶格體本身去解釋，更靠譜。就是晶格體的能帶導(dǎo)電性達(dá)到最高狀態(tài)。因費(fèi)米子凝聚態(tài)集合的庫(kù)珀團(tuán)，此刻也具有超流體性質(zhì)，可以無(wú)摩擦，無(wú)相互作用的在導(dǎo)體中以光速傳遞。
這里有必要解釋一下庫(kù)珀團(tuán)的概念。如果是庫(kù)珀對(duì)的話，那么庫(kù)珀對(duì)于庫(kù)珀對(duì)之間也沒有作用嗎？所以這也是BCS理論的缺點(diǎn)。如果庫(kù)珀團(tuán)的話，這個(gè)就好解釋了。整個(gè)電子流就是一個(gè)整體。是由庫(kù)珀對(duì)組成的，即庫(kù)珀團(tuán)是由庫(kù)珀對(duì)組成的。庫(kù)珀團(tuán)的概念，你可以理解為一個(gè)區(qū)域，最低能態(tài)。庫(kù)珀對(duì)就集中在這里。由于晶格體也處于低溫條件下，交互影響就可以忽略不計(jì)。庫(kù)珀團(tuán)與整個(gè)晶格體沒有能量交互，無(wú)摩擦在傳播，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。所有的超導(dǎo)現(xiàn)象都是這樣的。
然后超導(dǎo)電流會(huì)排斥掉導(dǎo)體中的磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致外部磁場(chǎng)產(chǎn)生懸浮效應(yīng); 這被稱為邁斯納效應(yīng)。
所以最后總結(jié)一下。低溫條件，會(huì)產(chǎn)生庫(kù)珀對(duì)，以及形成庫(kù)珀團(tuán)，產(chǎn)生超導(dǎo)電流。同時(shí)低溫也改變導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和振動(dòng)，使得導(dǎo)體中超導(dǎo)電流和結(jié)構(gòu)節(jié)交互為零，摩擦為零。這個(gè)時(shí)候聲子的概念，其實(shí)退出。畢竟無(wú)論是費(fèi)米還是玻色凝聚態(tài)中，都沒有聲子概念。這個(gè)修改，BCS理論更實(shí)在靠譜。
邁斯納效應(yīng)需要從電磁學(xué)和量子力學(xué)去解釋，也就是上面說(shuō)了，超導(dǎo)電流會(huì)排斥掉導(dǎo)體中的磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致外部磁場(chǎng)產(chǎn)生懸浮效應(yīng); 這被稱為邁斯納效應(yīng)。
不過(guò)這樣修改，高溫超導(dǎo)或者常溫超導(dǎo)，還是無(wú)法解釋。高溫意味著庫(kù)珀團(tuán)的慢慢瓦解，也就是庫(kù)珀對(duì)的一個(gè)個(gè)脫離該區(qū)的控制。就會(huì)和晶格體產(chǎn)生交互，從而產(chǎn)生電阻。失去超導(dǎo)效應(yīng)。如果這樣修改，溫度上限是多少，我自己也不會(huì)計(jì)算。只是內(nèi)心的思路是這樣的
