BCS超导理论建立的具体过程

BCS超导理论建立的具体过程

引用

科学网

1.

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BCS理论是解释超导现象的里程碑式理论，由巴丁、库珀和施里弗三位物理学家在1957年提出。这一理论不仅揭示了超导性的微观机制，更为后来的超导研究奠定了基础。本文将通过多位权威资料，详细回顾BCS理论建立的具体过程及其背后的故事。

BCS理论的主要贡献者

• 巴丁（John Bardeen）：1908年5月23日 - 1991年1月30日，享年82岁
• 库珀（Leon Neil Cooper）：1930年2月28日 - ，现年94岁+
• 施里弗（John Robert Schrieffer）：1931年5月31日 - 2019年7月27日，享年88岁

图1：1972年诺贝尔物理学奖获得者

BCS理论建立的故事

1. 早期传闻

据传，巴丁第二次获得诺贝尔奖，是被23岁的小青年研究生施里弗“强迫”的。施里弗想破解超导，担心自己不行，就去找巴丁。腼腆的巴丁谦虚地说：“我这一把年纪，搞不了了。”怕这种“真正的原创”耽误施里弗。施里弗又去找别的教授，遇到“伯乐”。伯乐鼓励施里弗：“就算搞超导白费2年，你25岁时，一切都还来得及。”有了伯乐的鼓励，施里弗又去磨巴丁。腼腆的巴丁无奈，就说：“去找库珀吧。听听库珀怎么说。”库珀这下子来精神了。于是乎，BCS理论提出来了。

2. 王涛老师讲述的故事

1956年，巴丁第一次去领诺贝尔奖时，颁奖的瑞典国王古斯塔夫六世问他：“没有带孩子们来？”腼腆的巴丁不善言辞，一时不知道怎么回答，就说“下次吧”。1972年，巴丁再次获得诺贝尔物理奖。

王涛老师补充道：巴丁是少有的意识到场论可能是研究超导很重要的工具。当时费曼，利用场论开始研究超导，但是没有找到关键的地方。巴丁意识到了一个很重要的事情，就是电子和声子之间的相互作用，也许，有可能是吸引的。这是一个非常重要的启发，于是巴丁就跟杨振宁先生打电话，问有没有精通场论的，杨振宁先生这边正好有个博士后，就是库伯，于是就把他推荐给巴丁了。各种巧合吧，当时正好施里弗正好赶上这一波。

施里弗给出了超导的波函数，这似乎是在他坐车的时候想到的。巴丁给出了哈密顿量，库伯给出了物理图像，施里弗给出了用来变分的波函数形式。这是一个完美的合作的案例。由于给出了波函数获得诺贝尔奖的非常少见，另一个就是劳夫林给出了理解量子分数霍尔效应的波函数。

权威资料

1. Science, 2019-09-20, John Robert Schrieffer (1931–2019)

施里弗于1953年获得麻省理工学院物理学学士学位。在那里，在约翰·斯莱特的指导下，他对固态物理学产生了兴趣。他在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）与物理学家John Bardeen一起完成了他的研究生工作。鲍勃后来回忆说，当他去找巴丁讨论一个可能的论文问题时，巴丁从桌子上拿出一张纸，列出了10个可能的项目。列表的底部是“超导性”。

超导性于1911年首次被观测到，在量子力学发明后的几十年里，所有最伟大的理论家都试图解释它。解决方案需要想象力的飞跃。当Bob写下一个显式的波函数时，他实现了数学上简单但概念上深刻的一步——这个波函数违反了粒子数守恒的不变原理。这为BCS理论的许多成功预测打开了大门。

2. Nature, 2019-10-08, J. Robert Schrieffer (1931–2019)

1957年初，25岁的研究生Schrieffer写下了一个量子力学波函数，解释了超导体中电子的行为。不到一年后，他与论文导师John Bardeen和博士后同事Leon Cooper一起发表了现在著名的BCS波函数和完整的超导理论，以三人组的名字命名BCS，他们共同获得了诺贝尔奖。

施里弗于1931年出生于伊利诺伊州的橡树园，本科时在剑桥的麻省理工学院学习物理学。正是在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生院，他开始与巴丁合作，巴丁于1956年因发明晶体管而获得诺贝尔物理学奖。

巴丁建议施里弗尝试理解超导性。这是一个有风险的提议。在量子理论在描述普通导体、绝缘体和半导体方面取得初步成功之后，人们无数次试图解释超导体，但都失败了。但时机是对的。巴丁和他的博士后David Pines研究了声子（量子化声波）对金属的影响，表明它们介导了电子之间的吸引相互作用。库珀发现，这种有吸引力的相互作用可能导致束缚电子对的形成。然而，库珀的理论只描述了单个电子对的形成。问题仍然是如何描述金属全电子态下的多电子配对，以及为什么这种配对会导致超导体的性质。

施里弗的直觉飞跃发生在1957年，当时他在参加APS会议时，在地铁上突然灵机一动。他突然想到，描述电子配对状态的自然波函数是一种电子数量不固定，但具有一定量子力学不确定性的函数。他把它写在那里，然后。这一关键见解在当时是激进的，但现在是理论物理学标准工具包的一部分，它彻底解决了这个问题。有了波函数，很快就可以计算出超导体的许多观测特性，并预测随后发现的新特性。

3. 尼科莱·勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）

在BCS理论提出的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）也独立地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）为人常用。

图2：Боголюбов Николай Николаевич，1909年8月8日 - 1992年2月13日，享年83岁

1946年至1947年，他开发了一种方法来获得以他的名字命名的动力学方程链。1946年他在弱理想玻色气体模型的基础上建立了超流体微观理论。通过推广他在超流体理论中发展的规范变换器，他创造了超导显微镜理论（1956年）。勃格留波夫是公理量子场论的奠基人，他第一次在微观世界中阐明因果关系原理。

超导里程碑时间表

• 1911年：物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，一旦低于3开尔文的“转变温度”，固体汞的电阻就会降至零。随后发现了其他几种纯金属，它们的转变温度都低于10开尔文。
• 1957年：理论物理学家John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer通过他们的首字母缩写BCS来解释超导性。
• 1986年：两位IBM物理学家Georg Bednorz和Alexander Müller在铜基材料中发现了35开尔文的超导性，这是第一个无法用BCS理论解释的“非传统”超导体。
• 2001年：Jun Akimitsu在二硼化镁中发现了超导性。它的转变温度为39开尔文，在环境压力下仍然是传统超导体的最高温度。
• 2004年：Neil Ashcroft预测，某些高压下的富氢材料在非常高的温度下应该显示出传统的超导性。
• 2006年：由材料科学家细野秀夫领导的一个团队意外地发现了由铁、镧和磷制成的材料的超导性。
• 2015年：Mikhail Eremets及其同事在250开尔文的硫化氢中发现了超导性的证据。这种和其他超氢化物超导体需要至少一百万个大气压的压力。
• 2019年：物理学家Harold Hwang及其同事发现了一类镍基非传统超导体。

参考资料

1. The Nobel Prize in Physics 1972
2. Douglas Scalapino, Steven Allan Kivelson. John Robert Schrieffer (1931–2019) [J]. Science, 2019, 365(6459): 1253-1253. doi: 10.1126/science.aaz2849
3. Nick Bonesteel, Gregory Boebinger. J. Robert Schrieffer (1931–2019) [J]. Nature, 2019, 574(7777): 177-177. doi: 10.1038/d41586-019-03015-3
4. Davide Castelvecchi. Why superconductor research is in a ‘golden age’ — despite controversy [DB/OL]. Nature，2023-11-16 doi： 10.1038/d41586-023-03551-z
5. 科普中国，2021-12-31，BCS理论
6. Боголюбов Николай Николаевич

相关链接

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2. 2024-01-17，[讨论，吵架，推测] 经典电磁理论比超导更重要
3. 2023-08-30，[小资料] 1948年巴丁、布拉坦（Bardeen, Brattain）的点接触晶体管专利（图片）

本文原文来自科学网博客，作者为杨正瓴。