原创 库珀对·超导体

Cooper pair，superconductor，phonon

作者：陈忠民

［原理］<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

在一般金属中，当电子流过时，它将被金属中的晶体缺陷、杂质等障碍物散射，因而有“电阻”。但只要两个电子能结成一对，并像一对足球运动员相互传递球而不会受到对手的阻挡那样，电子对在相互传递能量时也可不受障碍物的碰撞而不断流动下去，这就是超导状态。

超导体会排斥磁场，这使得小的永久磁铁能够漂浮在大块的高温超导体上。

［发现者］

1955年金秋季节，年轻的博士利昂·库珀参与到巴丁与他的研究生罗伯特·施里弗的研究工作，三个人组成了一个探索超导现象微观机理的研究小组，开始朝这一神秘的领域进发。巴丁原是半导体领域的专家，1956年因发现晶体管效应而劳获诺贝尔物理学奖；库珀对量子场论、量子统计以及处理数理方法非常熟悉；而施里弗则年轻敏捷、敢想敢闯。

Leon N. Cooper，1930～

身材瘦小、头发乌黑的库珀，在哥伦比亚大学获得了他的科学学位：1951年获文学学士，1953年获理学硕士，1954年获哲学博士。1956年，库珀提出了电子在运动过程中通常是两个电子结伴而行的理论：两个电子之间通过交换声子（Phonon，晶格振动的能量子）形成束缚态，正如一对恋人相互交换信物形成恋爱关系一样。同时，这两个电子之间还受到库仑力的排斥力的作用。正是这两个力的共同作用，才使这两个电子彼此挨近而又保持一定距离，组成电子对──库珀对（Cooper Pair）。在此基础上，巴丁、施里弗和库珀三位科学家建立了一套完整的超导微观理论，这就是以三位科学家的名字命名的BCS理论。BSC理论很好地解释了前人发现的各种超导现象，为此，三人分享了1972年度的诺贝尔物理学奖。

两个电子通过交换声子配成一对

BCS理论认为，在超导体内电子以库珀对的形式运动，电流不再是由自由电子运动形成的，而是由库珀对移动形成的。可以用量子力学的语言来描述超导的机制：声子使固体中两个自旋和动量相反的电子相互吸引，组成动量为零的库珀对，当库珀对在电场作用下做定向运动时，就形成了电流。

组成库珀对的两个电子出入成双、如影随形

根据量子力学的物质波理论，由于库珀对的动量很小，所以它的波长很长，不会受到晶格缺陷和杂质的散射，从而可以无阻碍地流动。

［应用］

超导材料的应用非常广泛，总体来说可分为两大类：一类是用于强电，用超导体制成大尺度的超导器件，如超导磁铁、电机、电缆等，用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。

基于超导技术的磁悬浮列车，时速超过400公里。

另一类是用于弱电，用超导体制成小尺度的器件，如超导量子干涉器件（简称SQVID）和制成计算机的逻辑元件，用于精密仪器仪表、计算机等方面。

［知识链接］

1  Superconductivity

2  天府数据港_大学物理教学辅导站_超导体微观理论

3  诺贝尔物理年代_1973

4  奇迹文库_超导现象的理论解释,David Lindley 文, 葛韶锋 译