BCS 理論(BCS theory)
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BCS 理論是超導電性的微觀解釋,於 1957 年由巴丁(Bardeen)、庫柏(Cooper)與施里弗(Schrieffer)提出,是二十世紀物理學的凱旋之一:它從電子與晶格振動的量子力學出發,推導出了為何某些金屬能無電阻地導電。在它之前,超導電性是一個頑固的、長達 46 年的謎;在它之後,此現象自第一原理得到理解。
此理論奠基於把電子束縛成庫柏對的聲子媒介吸引力。其核心一步,是把多電子的基態寫成單一相干的量子疊加——BCS 波函數——其中費米面附近的動量態是以相關聯的對、而非一個一個地被佔據。自洽求解便得到一個在費米面處打開的能隙 Delta,即拆開一對所需的能量。理論做出鮮明、可檢驗的預測:把能隙與臨界溫度聯繫起來的普適比值 2 Delta(0) 約為 3.52 k_B T_c、直接證實聲子就是那股膠水的同位素效應 T_c 正比於 M^(-1/2)(離子愈重,T_c 愈低)、反映能隙的指數式微小低溫比熱,以及邁斯納效應。此凝聚體體現了非對角長程序(off-diagonal long-range order)——單一對態的巨觀佔據。
BCS 理論為其作者贏得 1972 年諾貝爾獎,至今仍是傳統超導體的定論。它誠實的侷限在於:它是一個專門建立在聲子媒介配對之上的弱耦合理論。它並不能解釋 1986 年發現的高溫銅氧化物(cuprate)超導體,也解釋不了大多數其他非傳統超導體——這些材料的配對機制、甚至對稱性都不同,其中若干至今仍未被完全理解。
BCS 預測臨界溫度 T_c 為 7 K 的金屬應有約 2.1 meV 的能隙 2 Delta;對錫、鉛這類經典超導體,實測能隙與這個 3.52 k_B T_c 的比值吻合得相當好。
同位素效應 T_c 正比於 M^(-1/2) 是聲子促成配對的關鍵鐵證。
BCS 是傳統超導體的弱耦合、聲子媒介理論;它並不能解釋高溫銅氧化物或其他非傳統超導體,後者的機制仍有爭議。