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？
　　迈斯纳效应
　　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？
　　电阻产生的原因
　　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。
　　但电子的流动并不完美。当电子在材料中移动时，原子挡住了它们的去路，如果原子完全静止，电子就能更容易地通过材料。但通常情况并非如此，原子会振动，或者晶格中存在缺陷，电子与可能正在振动的原子发生碰撞。这将导致电子发生散射，最终将其部分能量释放给了原子，使其振动得更厉害。这种增加的振动导致整个晶格振动得更多，这种较高的振动导致金属升温，这就是电阻导致能量损失的原因。
　　随着温度的升高，原子的振动会更强烈，这将导致更高能量的碰撞和更高的电阻。这种导致电子散射的振动可以通过降低金属的温度来减少。但是，原子的振动不能完全停止，因为海森堡的不确定性原理进行了限制，那么电阻又是如何完全消失的呢？
　　费米子与玻色子
　　要理解这一点，我们先来重温费米子和玻色子的概念。粒子都有一个与动量有关的特性叫做自旋，自旋并不是指物理上的旋转，而是粒子的内禀性质。这些自旋值是普朗克常数的倍数：它要么是整数倍，要么是半整数倍。具有半整数自旋的粒子称为费米子，具有整数自旋的粒子称为玻色子。例如，一个电子电子可以有+1/2或-1/2的自旋，所以它是费米子；光子可以有+1或-1的自旋，所以它是玻色子。
　　玻色子和费米子在亚原子水平上的行为不同。在量子系统中，任何数量的相同玻色子都可以占据相同的能级，但费米子的情况并非如此，两个或两个以上相同的费米粒子不能占据相同的能级，这被称为泡利不相容原理。简单来说，相同费米子不能堆在一起，而玻色子没有这个限制，相反它们在低温下喜欢堆在一起。
　　超导：库珀对
　　当一个电子在导体中移动时，它会被其他电子排斥，但它也会吸引构成金属刚性晶格的正离子。这种吸引力使离子晶格发生扭曲，使离子轻微地向电子移动，增加了晶格附近的正电荷密度。这种正电荷密度可以在远距离吸引其他电子，由于离子的移位，这种吸引力可以克服电子的排斥并导致它们两两结合。两个电子以这种方式结合在一起，称为库珀对。
　　如果材料的温度足够低，库珀对会保持在一起，因为它没有足够的能量分裂。然后，我们可以将这种组合当成单独的粒子来对待。当两个电子以这种方式结合在一起时，它们的半自旋一起形成一个整数自旋。换句话说，它们开始表现得像玻色子，它们不再受泡利不相容原理的限制。
　　现在的情况是，由于任意多个玻色子都可以进入相同的低能态，库珀对的集合开始表现得像一个实体。当一束玻色子冷却到低温占据最低量子基态时，就称为玻色-爱因斯坦凝聚体。它们就像一个玻色子电子一样，都处于相同的低能量状态。它是带负电的，因为它是由带负电的电子组成的，所以这意味着它可以导电。
　　正常情况下，当一个电子与一个原子碰撞并散射时，它会因为碰撞而失去一些能量。但是对于库珀对，它没有更低的能量了，因为它们已经处于最低的能态，所以它们不可能再损失任何能量了。库伯对与原子之间缺乏相互作用，有效地导致电子流动没有阻力，材料就变成了超导体。库珀对中的电子的相互作用非常弱，所以超导通常只在非常低的温度下发生。当温度超过临界温度时，库伯对就会被破坏，因为已经有足够的能量将它们分解，因此超导性就会丧失。
　　以上所描述的机制是对库珀对如何形成的常规理解，但是可能还有其他机制我们尚未了解。
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