利昂.库柏与BCS理论

利昂・库珀于1930年2月28日出生在美国纽约,1951年在哥伦比亚大学获学士学位,1953年获硕士学位,1954年获博士学位。他的博士论文是关于原子核理论的。1954年到普林斯顿高等研究所做博士后。1955年经杨振宁教授推荐,他来到伊利诺伊大学,在巴丁领导下对超导电性的研究做出了自己的贡献。1957~1958年任俄亥俄州立大学助理教授。1966~1974年在戈达德大学当教授。1974年开始,他在布朗大学担任教授、神经科学中心主任。此外,他还在法国巴黎高等师范学校、伯克利加州大学和布鲁克海文国家实验室等多所大学、科研院所工作过。他是美国国家科学院、美国艺术与科学院院士,也是美国物理学会、美国哲学学会、美国科学促进会会员。曾获得美国国家科学院康斯托克奖、巴黎科学院笛卡尔奖章等荣誉。

我们通常用铜等导体做成导线来传输电流。尽管导线很容易让电流通过,但导线仍有一些电阻,根据焦耳定律,电阻中有电流通过时就要发热,从而损失电能。事实上,电流在输送过程中约有30%电能转化为无用的热量。这个现象有时会给我们带来很大的麻烦:比如电动机要发热,输电线要发热,电视机、笔记本电脑、冰箱等使用时都要发热,在这个追求速度和效益的时代,人们越来越对这一种现象感到不可容忍。

如果能找到一种可以用来制作导线的材料,电阻很小甚至为零。那该多好!超导体就是这样一种材料。超导体在低温条件下。它完全没有电阻。电流通过时不会有任何损失。最早的超导体是由荷兰物理学家卡末林・昂内斯在1911年发现的,当时他发现汞(水银)在热力学温度4.2K(-269℃)时就不再有电阻。到今天。人们已发现了许多种材料都能在一定条件下变成超导体。而最重要的条件是有极低的温度。一般都要在200℃以下才会出现超导性质。当温度升高时,原有的超导态会变成正常的状态。

超导体具有许多特殊的性质,当然最主要的是零电阻。人们做过实验,让电流在超导体制成的圆环中流动,电流可以流动一年而没有损失。超导体可以有非常大的用途。这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗,用高温超导体材料加工的电缆,其载流能力是常用铜丝的1200倍;利用超导体可以形成强大的磁场,可以用来制造粒子加速器等,如用于磁悬浮列车,列车时速可达500千米:利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性。因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体。要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

经过70多年的发展,超导材料达到的最高临界温度只有23.2K,没有超过液氦温度,而且液氦价格昂贵,冷却效率低,很难广泛使用,目前超导体只在一些尖端的设备(如粒子加速器)上得到应用。

要让超导体得到应用,首先要有容易使用的超导体。人们现在正不断地寻找新的超导体,其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料,即“高温超导体”(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末。世界上掀起了寻找高温超导体的热潮,1986年出现氧化物超导体,其临界温度超过了125K,在这个温度区上,超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此后,科学家们不断努力,在高压状态下把临界温度提高到了164K(-109℃)。

高温超导材料的用途非常广阔。大致可分为三类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能:电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

自从1911年发现超导现象以来。人们一直在探寻超导电性的微观机理。这其中有过1934年高特和卡西米尔提出的二流体模型、1935年由伦敦兄弟提出的伦敦方程等理论。但直到1957年才由巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)施里弗(J.R.Schrieffer)提出一个超导电性的量子理论,简称BCS(取每人姓氏的第一个字母进行组合)理论。这一理论比较满意地解释了超导电性的微观机理。他们三人共获1972年诺贝尔物理学奖。在BCS理论中,最重要的是库珀提出的电子对概念。

根据“BCS”理论,超导材料中的电子以所谓的“库柏对”形式移动。如果一个“库柏对”结合得足够牢固,便可经受住材料中原子的任何影响,进而实现零电阻。然而。这一理论也指出,只有在极低温度下才能产生零电阻现象,此时的原子只出现细微振动。

BCS理论解决了一个困扰人们长达46年的难题。它的创立标志着人们对超导电性的解释从宏观阶段进入了微观阶段。BCS理论极大地促进了有关超导研究的进展。不断涌现的实验和理论成果使这个领域焕发了勃勃生机。以BCS理论为基础,人们进而导。出了伦敦方程等一系列重要方程,贾埃澳发现了超导隧道效应,约瑟夫森预言了以他名字命名的效应并得到实验验证BCS理论因而成为超导物理学史上的重要里程碑。

BCS理论的影响还超出了超导理论本身。库柏等人为解决超导问题采用的研究方法及数学技巧,在核物理、基本粒子等领域也得到广泛应用。它不仅从微观上解释了超导电性,而且还开拓出许多新的研究领域。因此,它被认为是自量子理论发展以来对理论物理最重要的贡献之一。

BCS理论的建立,充分体现了巴丁作为一个老科学家卓越的组织才能和重视青年科学家的气度,使我们认识到任何科学发现都不是一个人的贡献,在科学研究中,人们应当重视加强学术交流,努力营造浓厚的学术氛围,善于组织各类学科人才对科研问题进行协同攻关,才能取得成功。

利昂.库柏与BCS理论

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