什么是库珀对？库珀对与超导体存在什么关联？

蜗牛oexjevuvpq 2020-02-24

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从两个心心相印的人坠入爱河，到以相同的净电荷相互排斥的亚原子粒子，人们相信'异性吸引和同性排斥'具有普遍意义。然而，也有超出这一法则列外的现象，如超导性。

图注：在超导体上悬浮的磁铁。

超导性——导体以零电阻导电的一种状态——被认为是两个电子（负电荷亚原子粒子）粘接的结果，而不是相互排斥的结果。这种键在极低的绝对温度下出现，结合电子共同称为库珀对。

超导

如前所述，超导是导体失去所有电阻的物理状态。1911年，物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究汞电阻的温度依赖性时发现这一现象。在4.2 K（-268.95°c）冷却汞时，他注意到所有的电阻突然消失。在昂内斯发现超导性之后，在随后的几年里，研究人员发现了在极端绝对温度下反映同样行为的其他元素和合金。

图注：物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）。

电阻，你可能知道，是阻碍电子（电流）流动由晶格的振动运动。电阻值取决于多种因素，包括几何形状、成分和温度。在这三影响因素中，导体阻值温度的升高而升高，随着温度降低而减小，而半导体具有负温度系数，并且不遵循这一趋势。

随着导电材料温度的升高，晶格原子开始更剧烈地振动，进一步阻碍电子的流动。另一方面，当导体冷却时，原子振动的强度较小，因此对电流的电阻较低。

图注：电阻、常规导体与超导体的温度之间的关系。

然而，电阻和温度之间的线性关系只维持到一个特定值，之后所有电阻突然消失，并发生向超导状态的过渡。从常规导体到超导体的转换发生的温度称为临界温度（Tc）。大多数元件的临界温度介于0K和30K(-273.15°C至-243.15°C)之间，但也发现了一些临界温度超过 35K(-238.15°C)的材料。

超导体表现出的另一个奇怪的现象是外部磁场从内部部分排出，这通常称为迈斯纳效应。这种驱逐是由于超导体内部的表面电流所产生的相等和相反的磁场。该磁场抵消了施加的磁场，使超导体表现出完美的磁性。最好通过在超导体上放置磁铁来证明这一点；两个磁场相互对立，导致磁体悬浮在超导体上方。

此外，在接近临界温度时，观察到超导材料的热容量突然峰值。

电阻的突然消失与线性进展相反，外部磁场的排除和热容量的增加表明，有更多的力在起作用——甚至可能是物质的相变。

库珀对 + BCS 理论

世界不得不等待相当长一段时间，科学家才能解开超导体的奥秘。1957年，物理学家约翰·巴丁、莱昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗提出了第一个解释超导体起源的微观理论。该理论指出，超导性产生于多个电子对的形成和凝结，称为库珀对。

电子可以排斥其他电子，但它们也被认为对构成晶格（原子、离子或分子的排列）的正离子施加有吸引力的力。根据BCS理论，这种引力使正离子更接近通过的电子，从而产生一个较高的正电荷密度区域。随着电子的移动，这个正电荷密度较高的区域也是如此。该地区，反过来，吸引另一个电子与第一个相反的自旋。因此，这两个电子变得间接连接，并形成一个库珀对，这要归功于它们的晶格。

电子晶格相互作用的可能性也由同位素效应支持，几年前在超导体中就见证了同位素效应。由两个独立研究小组获得的结果确认，使用同一超导元素的不同同位素被认为会改变临界温度。较重的离子被认为更难吸引/排斥，因此临界温度与同位素的质量成反比。

成对电子实际上并不彼此接近，而是成对了几百纳米。这允许多个库珀对占据相同的空间，重叠，并形成一个集体冷凝聚。此外，结合能量相当低，为10^(-3) eV。

库珀对的冷凝

在现实中，库珀对的形成及其对超导性的影响是一个复杂的量子现象，需要量子力学知识来充分理解。

临界温度、临界磁场（超导体停止在临界磁场之外渗出磁场）以及接近临界温度时热容量的增加表明存在能量缺口导电和超导状态之间。在半导体中，价带和传导带之间存在类似的能量间隙（称为带隙），但在超导体中，能量间隙表示打破库珀对和形成正常电子所需的能量量。能量差距也暗示着相位的变化，表明所有电子必须占据相同的能量级。

电子是铁氧体，即具有半整数自旋的粒子，不能凝结成相同的能量级。然而，当两个电子连接成一个库珀对时，它们相反的自旋值被认为会相互平衡/抵消，从而产生对的净整数自旋。在超流体氦中，以前也出现过类似的能量差距，尽管它由玻色子（具有整数自旋值的粒子）组成。因此，库珀对被认为像复合玻色子一样，因此可以凝结到相同的量子状态。

在低绝对温度下，可用的热能不足以打破库珀对，从而防止导致电阻率的电子-晶格相互作用。此外，由于库珀对重叠，它们变得纠缠，并充当一大群携带电流的粒子。

因此，由于电子与晶格的相互作用，以及它们凝结成复合玻色子，库珀对的形成被认为是超导性的原因。