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
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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。 |
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