超导体：传统 BCS 理论与高温超导理论

超导是一种物理现象，指某些材料在低温下电阻突然消失，呈现出零电阻和完全抗磁性的特征。超导最早是在 1911 年由荷兰科学家昂内斯发现的，当时他将汞冷却到 4.2K 时，发现其电阻降为零。后来人们又陆续发现了许多其他的超导材料，如铅、锡、铌等。

超导有两个重要的特点：零电阻和完全抗磁性。零电阻意味着超导体可以无损耗地传输大电流，并在周围产生强大的磁场。完全抗磁性意味着超导体可以排斥外部磁场，并保持内部磁通量不变。这两个特点使得超导体在许多领域有着广泛的应用前景，如核磁共振成像、高能物理实验、核聚变装置、储能系统、电力输送等。

那么，为什么某些材料在低温下会变成超导体呢？这背后有什么物理机制呢？

常规超导原理

常规超导体是指那些在低温下，通过电子-声子相互作用而产生超导电性的材料，如金属和合金等。常规超导体的理论基础是 BCS 理论，该理论由巴丁、库珀和施里弗三人于 1957 年提出。

BCS 理论认为，在常规超导体中，低温下两个原本均带负电、互相排斥的电子，通过影响原子晶格产生的振动（这一振动的能量量子称为声子）而建立间接吸引作用，从而两两配对构成"库伯对"。在量子相干效应下，这些"库伯对"可以在晶格中无损耗地运动，形成了整体的超导电性。

BCS 理论还给出了计算常规超导体临界温度、临界磁场、能隙等物理量的方法，并与实验结果符合得很好。BCS 理论为解释和发展常规超导现象做出了重大贡献，并使其三位创始人获得了 1972 年诺贝尔物理学奖。

高温超导原理

高温超导体是指那些在超过 77K（液氮温度）的温度下，仍然表现出超导电性的材料，如铜氧化物和铁基化合物等。高温超导体的发现打破了 BCS 理论预言的常规超导体的临界温度上限，引起了物理学界的巨大震动和广泛关注。

高温超导体的最大特点是其具有层状结构，其中含有铜氧面或者铁砷面等过渡金属氧化物平面 。科学家们普遍认为，这些平面是产生高温超导电性的关键所在，因为它们提供了足够大的态密度和强烈的电子-电子相互作用。

然而，高温超导体中电子配对的机制仍然不清楚。BCS 理论中提出的电子-声子相互作用在这里显然不适用，因为声子能量太低，无法解释高达 100K 以上的临界温度。因此，人们提出了许多其他可能的配对机制，如电子-自旋波相互作用、电子-极化子相互作用、电子-荷波相互作用等 。但是目前还没有一个统一而完备的理论能够解释所有高温超导体中观察到的各种奇异现象。

高温超导体不仅具有理论上的挑战性和吸引力，还具有巨大的应用潜力。由于它们可以在液氮等廉价易得的低温介质下工作，因此可以大幅降低制冷成本，并扩展超导技术在能源、交通、医疗、通信等领域中的应用。

高温超导的应用

高温超导材料的应用通常分为两大类：强电应用和弱电应用。

强电应用是指利用高温超导材料的零电阻和大电流密度特性，实现低损耗、高效率、高容量的输配电系统，如超导变压器、超导发电机、超导储能器、超导限流器、超导传输线等。这些应用可以提高电网的稳定性和可靠性，减少线路损耗和碳排放，节约能源和土地资源。

弱电应用是指利用高温超导材料的量子效应和磁通量钉扎特性，实现高灵敏度、高精度、高速度的测量和信号处理系统，如超导磁体、超导量子干涉器件（SQUID）、超导滤波器、超导逻辑器件等。这些应用可以广泛地服务于科学研究、医疗诊断、通信技术、雷达探测等领域。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang