BCS Theorie, die von Bardeen, Küfer, und Schrieffer (BCS) 1957 vorgeschlagen ist, ist die erste mikroskopische Theorie der Supraleitfähigkeit seit seiner Entdeckung 1911. Die Theorie beschreibt Supraleitfähigkeit als eine mikroskopische Wirkung, die durch eine Kondensation von Paaren von Elektronen in einen boson ähnlichen Staat verursacht ist. Die Theorie wird auch in der Kernphysik verwendet, um die zusammenpassende Wechselwirkung zwischen Nukleonen in einem Atomkern zu beschreiben.

Geschichte

Die Mitte der 1950er Jahre hat schnellen Fortschritt im Verstehen der Supraleitfähigkeit gesehen. Es hat in der 1948-Zeitung Auf dem Problem der Molekularen Theorie der Supraleitfähigkeit begonnen, wo Fritz London vorgeschlagen hat, dass die phänomenologischen Gleichungen von London Folgen der Kohärenz eines Quant-Staates sein können. 1953 hat Brian Pippard, der durch Durchdringen-Experimente motiviert ist, vorgeschlagen, dass das die Gleichungen von London über einen neuen Skala-Parameter genannt die Kohärenz-Länge modifizieren würde. John Bardeen hat dann in der 1955-Zeitung, Theorie der Meissner Wirkung in Supraleitern gestritten, dass solch eine Modifizierung natürlich in einer Theorie mit einer Energielücke vorkommt. Die Schlüsselzutat war die Berechnung von Leon Neil Cooper der bestimmten Staaten des Elektronthemas einer attraktiven Kraft in seiner 1956-Zeitung, Bestimmten Elektronpaaren in einem Degenerierten Fermi Benzin.

1957 haben Bardeen und Cooper diese Zutaten gesammelt und haben solch eine Theorie, die BCS Theorie mit Robert Schrieffer gebaut. Die Theorie wurde zuerst im Februar 1957 im Brief, der Mikroskopischen Theorie der Supraleitfähigkeit bekannt gegeben. Die Demonstration, dass der Phase-Übergang die zweite Ordnung ist, dass es die Wirkung von Meissner und die Berechnungen der spezifischen Hitze und Durchdringen-Tiefen wieder hervorbringt, ist im Artikel im Juli 1957, der Theorie der Supraleitfähigkeit erschienen. Sie haben den Nobelpreis in der Physik 1972 für diese Theorie erhalten. Die 1950-Theorie des Landauers-Ginzburg der Supraleitfähigkeit wird in keiner von BCS Zeitungen zitiert.

1986 wurde Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit entdeckt (d. h. Supraleitfähigkeit bei Temperaturen beträchtlich über der vorherigen Grenze von ungefähr 30 K; bis zu ungefähr 130 K). Es wird geglaubt, dass BCS Theorie allein dieses Phänomen nicht erklären kann, und dass andere Effekten beim Spiel sind. Diese Effekten werden noch immer nicht noch völlig verstanden; es ist sogar möglich, dass sie auch Supraleitfähigkeit sogar bei niedrigen Temperaturen für einige Materialien kontrollieren.

Übersicht

Bei genug niedrigen Temperaturen werden Elektronen in der Nähe von der Oberfläche von Fermi nicht stabil gegen die Bildung von Paaren von Cooper. Cooper hat gezeigt, dass solche Schwergängigkeit in Gegenwart von einem attraktiven Potenzial, egal wie schwach vorkommen wird. In herkömmlichen Supraleitern wird eine Anziehungskraft allgemein einer Elektrongitter-Wechselwirkung zugeschrieben. Die BCS Theorie verlangt jedoch nur, dass das Potenzial unabhängig von seinem Ursprung attraktiv ist. Im BCS Fachwerk ist Supraleitfähigkeit eine makroskopische Wirkung, die sich aus der Kondensation von Paaren von Cooper ergibt. Diese haben einige bosonic Eigenschaften, während bosons, bei der genug niedrigen Temperatur, ein großes Kondensat von Bose-Einstein bilden kann. Supraleitfähigkeit wurde gleichzeitig von Nikolay Bogoliubov mittels der so genannten Transformationen von Bogoliubov erklärt.

In vielen Supraleitern wird die attraktive Wechselwirkung zwischen Elektronen (notwendig, um sich zu paaren), indirekt durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem vibrierenden Kristallgitter (der phonons) verursacht. Grob sprechend ist das Bild der folgende:

Ein Elektron, das sich durch einen Leiter bewegt, wird nahe gelegene positive Anklagen im Gitter anziehen. Diese Deformierung des Gitters veranlasst ein anderes Elektron mit der entgegengesetzten Drehung, ins Gebiet der höheren positiven Anklage-Dichte umzuziehen. Die zwei Elektronen werden dann aufeinander bezogen. Es gibt viele solcher Elektronpaare in einem Supraleiter, so dass sie sehr stark überlappen, ein hoch gesammeltes Kondensat bildend. Das Brechen eines Paares läuft auf das Ändern von Energien der gebliebenen makroskopischen Zahl von Paaren hinaus. Wenn die erforderliche Energie höher ist als die Energie, die durch Stöße von schwingenden Atomen im Leiter zur Verfügung gestellt ist (der bei niedrigen Temperaturen wahr ist), dann werden die Elektronen paarweise angeordnet bleiben und allen Stößen widerstehen, so Widerstand nicht erfahrend. So ist das gesammelte Verhalten des Kondensats eine entscheidende Zutat der Supraleitfähigkeit.

Mehr Details

BCS Theorie fängt von der Annahme an, dass es etwas Anziehungskraft zwischen Elektronen gibt, die die Ampere-Sekunde-Repulsion überwinden können. In den meisten Materialien (in niedrigen Temperatursupraleitern) wird diese Anziehungskraft indirekt durch die Kopplung von Elektronen zum Kristallgitter (wie erklärt, oben) verursacht. Jedoch hängen die Ergebnisse der BCS Theorie vom Ursprung der attraktiven Wechselwirkung nicht ab. Die ursprünglichen Ergebnisse von BCS (besprochen unten) haben einen S-Welle-Superleiten-Staat beschrieben, der die Regel unter Supraleitern der niedrigen Temperatur ist, aber in vielen unkonventionellen Supraleitern wie die D-Welle-Supraleiter der hohen Temperatur nicht begriffen wird.

Erweiterungen der BCS Theorie bestehen, um diese anderen Fälle zu beschreiben, obwohl sie ungenügend sind, um die beobachteten Eigenschaften der Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit völlig zu beschreiben.

BCS ist im Stande, eine Annäherung für den mit dem Quant mechanischen Vielkörperstaat des zu geben

System (attraktiv aufeinander wirkend) Elektronen innerhalb des Metalls. Dieser Staat ist

jetzt bekannt als der BCS-Staat. Im normalen Staat eines Metalls bewegen sich Elektronen unabhängig, wohingegen im BCS-Staat sie in Paare von Cooper durch die attraktive Wechselwirkung gebunden werden.

Der BCS Formalismus basiert auf dem reduzierten Potenzial für die Elektronanziehungskraft.

Innerhalb dieses Potenzials wird ein abweichender ansatz für die Welle-Funktion vorgeschlagen. Dieser ansatz

wurde später gezeigt, in der dichten Grenze von Paaren genau zu sein. Bemerken Sie, dass die dauernde Überkreuzung zwischen den verdünnten und dichten Regimen, Paare von fermions anzuziehen, noch ein offenes Problem ist, das jetzt viel Aufmerksamkeit innerhalb des Feldes von ultrakaltem Benzin anzieht.

Erfolge der BCS Theorie

BCS hat mehrere wichtige theoretische Vorhersagen abgeleitet, die der Details der Wechselwirkung unabhängig sind, seitdem die quantitativen Vorhersagen unten erwähnt haben, halten für jede genug schwache Anziehungskraft zwischen den Elektronen, und diese letzte Bedingung wird für viele niedrige Temperatursupraleiter - der so genannte Fall der schwachen Kopplung erfüllt. Diese sind in zahlreichen Experimenten bestätigt worden:

• Die Elektronen werden in Paare von Cooper gebunden, und diese Paare werden wegen des Ausschluss-Grundsatzes von Pauli für die Elektronen aufeinander bezogen, von denen sie gebaut werden. Deshalb, um ein Paar zu brechen, muss man Energien aller anderen Paare ändern. Das bedeutet, dass es eine Energielücke für die Erregung der einzelnen Partikel, unterschiedlich im normalen Metall gibt (wo der Staat eines Elektrons durch das Hinzufügen eines willkürlich kleinen Betrags der Energie geändert werden kann). Diese Energielücke ist bei niedrigen Temperaturen am höchsten, aber verschwindet an der Übergangstemperatur, wenn Supraleitfähigkeit aufhört zu bestehen. Die BCS Theorie gibt einen Ausdruck, der zeigt, wie die Lücke mit der Kraft der attraktiven Wechselwirkung und (normale Phase) einzelne Partikel-Dichte von Staaten an der Energie von Fermi wächst. Außerdem beschreibt es, wie die Dichte von Staaten beim Eingehen in den Superleiten-Staat geändert wird, wo es keine elektronischen Staaten mehr an der Energie von Fermi gibt. Die Energielücke wird in Tunneling-Experimenten und im Nachdenken von Mikrowellen von Supraleitern am meisten direkt beobachtet.
• BCS Theorie sagt die Abhängigkeit des Werts der Energielücke E bei der Temperatur T auf der kritischen Temperatur T voraus. Das Verhältnis zwischen dem Wert der Energielücke bei der Nulltemperatur und dem Wert der Superleiten-Übergangstemperatur (ausgedrückt in Energieeinheiten) nimmt den universalen Wert von 3.5, unabhängig des Materials. In der Nähe von der kritischen Temperatur die Beziehungsasymptoten zu

::

:which ist von der Form angedeutet im vorherigen Jahr von M. J. Buckingham in der Sehr Hohen Frequenzabsorption in auf der Tatsache gestützten Supraleitern, dass der Superleiten-Phase-Übergang die zweite Ordnung ist, dass die Superleiten-Phase eine Massenlücke und auf Blevins, Gordys experimentelle Ergebnisse und Fairbanks im vorherigen Jahr auf der Absorption von Millimeter-Wellen durch das Superleiten von Dose hat.

• Wegen der Energielücke wird die spezifische Hitze des Supraleiters stark (exponential) bei niedrigen Temperaturen unterdrückt, dort keine verlassenen Thermalerregung seiend. Jedoch, vor dem Erreichen der Übergangstemperatur, wird die spezifische Hitze des Supraleiters noch höher, als, wie man findet, dieser des normalen Leiters (gemessen sofort über dem Übergang) und das Verhältnis dieser zwei Werte durch 2.5 allgemein gegeben wird.
• BCS Theorie sagt richtig die Wirkung von Meissner, d. h. die Ausweisung eines magnetischen Feldes vom Supraleiter und der Schwankung der Durchdringen-Tiefe (das Ausmaß der Abschirmungsströme voraus, die unter der Oberfläche von Metall fließen) mit der Temperatur. Das war experimentell von Walther Meissner und Robert Ochsenfeld in ihrem 1933-Artikel Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit demonstriert worden.
• Es beschreibt auch die Schwankung des kritischen magnetischen Feldes (über dem der Supraleiter das Feld nicht mehr vertreiben kann, aber das normale Leiten wird) mit der Temperatur. BCS Theorie verbindet den Wert des kritischen Feldes bei der Nulltemperatur zum Wert der Übergangstemperatur und der Dichte von Staaten an der Energie von Fermi.
• In seiner einfachsten Form gibt BCS die Superleiten-Übergangstemperatur in Bezug auf das Elektron-Phonon-Kopplungspotenzial und die Abkürzungsenergie von Debye:

:Here N (0) ist die elektronische Dichte von Staaten an der Energie von Fermi. Für mehr Details, sieh Paare von Cooper.

• Die BCS Theorie bringt die Isotop-Wirkung wieder hervor, die die experimentelle Beobachtung ist, dass für ein gegebenes Superleiten des Materials die kritische Temperatur zur Masse des im Material verwendeten Isotops umgekehrt proportional ist. Die Isotop-Wirkung wurde von zwei Gruppen am 24. März 1950 berichtet, die es entdeckt haben, unabhängig mit verschiedenen Quecksilberisotopen arbeitend, obwohl ein paar Tage vor der Veröffentlichung sie von jedem die Ergebnisse eines anderen auf der ONR Konferenz in Atlanta, Georgia erfahren haben. Die zwei Gruppen sind Emanuel Maxwell, der seine Ergebnisse in der Isotop-Wirkung in der Supraleitfähigkeit von Quecksilber und C. A. Reynolds, B. Serin, W. H. Wright und L. B. Nesbitt veröffentlicht hat, der ihre Ergebnisse um 10 Seiten später in der Supraleitfähigkeit von Isotopen von Quecksilber veröffentlicht hat. Die Wahl des Isotops hat normalerweise wenig Wirkung auf die elektrischen Eigenschaften eines Materials, aber betrifft wirklich die Frequenz von Gitter-Vibrationen, diese Wirkung hat darauf hingewiesen, dass Supraleitfähigkeit mit Vibrationen des Gitters verbunden ist. Das wird in die BCS Theorie vereinigt, wo Gitter-Vibrationen die Bindungsenergie von Elektronen in einem Paar von Cooper nachgeben.

Siehe auch

• Supraleitfähigkeit
• Magnesium diboride, hat einen BCS Supraleiter gedacht
• Quasipartikel

Die BCS Papiere:

• L. N. Cooper, "Gebundene Elektronpaare in einem Degenerierten Fermi Benzin", Phys. Hochwürdiger 104, 1189 - 1190 (1956).
• J. Bardeen, L. N. Cooper und J. R. Schrieffer, "Mikroskopische Theorie der Supraleitfähigkeit", Phys. Hochwürdiger. 106, 162 - 164 (1957).
• J. Bardeen, L. N. Cooper und J. R. Schrieffer, "Theorie der Supraleitfähigkeit", Phys. Hochwürdiger. 108, 1175 (1957).

Weiterführende Literatur

• John Robert Schrieffer, Theorie der Supraleitfähigkeit, (1964), internationale Standardbuchnummer 0-7382-0120-0
• Michael Tinkham, Einführung in die Supraleitfähigkeit, internationale Standardbuchnummer 0-4864-3503-2
• Pierre-Gilles de Gennes, Supraleitfähigkeit von Metallen und Legierung, internationaler Standardbuchnummer 0-7382-0101-4.

Links

• ScienceDaily: Physiker Entdeckt Exotische Supraleitfähigkeit (Universität Arizonas) am 17. August 2006
• Hyperphysik-Seite auf BCS
• BCS Geschichte
• Tanzanalogie der BCS Theorie, wie erklärt, durch Bob Schrieffer (Audioaufnahme)