超导体为什么具有零电阻？获得诺贝尔奖的BCS理论这样解释

1908年，荷兰物理学家海克·昂内斯首次发现了将氦气转化为液氦的方法。这是一项了不起的成就，因为氦只有在绝对零度以上4度的时候才会液化，也就是零下269摄氏度。后来，他把一份水银样本冷却到这个温度并通电，令他震惊的是，他发现它没有了电阻，这意味着没有能量损失。这是非常不寻常的现象，因为通常情况下，在电流通过材料的过程中，至少会损失一些能量。认识到这种现象的重要性，他把这种物质的新状态称为超导体，他也因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

在一般情况下，当电流通过一种材料时，总是会有电阻，因为电子与原子碰撞会造成一些能量损失。但不知何故，在这种新的超导状态下，电子直接穿过材料，就像没有任何原子挡住它们的路一样。事实上，如果你在一个超导线圈中放入电流，电流几乎将永远持续流动，而无需增加电压或能量。超导体还有一个看起来很神奇的特性，那就是它们可以排出磁场。所以如果你把一块磁铁放在超导体上，磁铁就会悬浮起来。

超导材料如何能完美地传输电流而不损失能量？要回答这个问题，我们必须深入到亚原子的基础，这意味着我们必须调用量子力学。超导是什么？为什么它如此特别，量子力学又是如何解释它的？

20世纪初，材料在很冷的温度下达到低电阻的想法被广泛接受，但人们还不懂的是接近绝对零度时电阻会发生什么变化？开尔文认为电子会完全停止，因此电阻会变成无穷大。因此，当首次发现材料的电阻可以在非常低的温度下变为零时，这是出乎意料的。1911年，昂内斯第一个在水银中发现了这一点，并发现它在4.2开尔文的温度下具有超导性。后来，人们发现其它金属和合金可以在更高的温度下超导。然而，典型的温度仍然很冷，通常低于150开尔文。

1933年，沃尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森菲尔德又有了一个重大发现。他们发现，当金属在一个小磁场中冷却时，随着金属变得超导，磁通量会自发地排除在外，这现在被称为迈斯纳效应。通常，物质允许磁场穿过它。然而，超导的一个性质是超导材料会排出磁通量场，换句话说，磁场不能穿过它。因此，磁铁的磁场会提升材料，以使磁通量能顺利流向另一磁极，这也就是导致悬浮的原因。

即使在这一发现之后，仍然不知道超导的确切原因是什么。在超导被发现的46年后，我们才有了第一个真正的微观理论来描述超导发生的事情。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗提出了现在被称为BCS的理论，并在1972年获得了诺贝尔物理学奖。他们到底发现了啥？

为了理解电子如何在超导体中无阻力地流动，我们首先需要理解导致阻力的原因。在金属内部，离原子核最远的最外层电子可以自由移动，以至于金属可以视为被电子海包围的原子堆，电子能够以类似流体的方式流动。如果我们在金属的一边通电，它们可以很容易地接受这些新电子，并在另一边推出一些电子以腾出空间，我们把这种流动解释为电流。