1908年，荷蘭物理學(xué)家海克·昂內(nèi)斯首次發(fā)現(xiàn)了將氦氣轉(zhuǎn)化為液氦的方法。這是一項了不起的成就，因為氦只有在絕對零度以上4度的時候才會液化，也就是零下269攝氏度。后來，他把一份水銀樣本冷卻到這個溫度并通電，令他震驚的是，他發(fā)現(xiàn)它沒有了電阻，這意味著沒有能量損失。這是非常不尋常的現(xiàn)象，因為通常情況下，在電流通過材料的過程中，至少會損失一些能量。認(rèn)識到這種現(xiàn)象的重要性，他把這種物質(zhì)的新狀態(tài)稱為超導(dǎo)體，他也因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在一般情況下，當(dāng)電流通過一種材料時，總是會有電阻，因為電子與原子碰撞會造成一些能量損失。但不知何故，在這種新的超導(dǎo)狀態(tài)下，電子直接穿過材料，就像沒有任何原子擋住它們的路一樣。事實上，如果你在一個超導(dǎo)線圈中放入電流，電流幾乎將永遠(yuǎn)持續(xù)流動，而無需增加電壓或能量。超導(dǎo)體還有一個看起來很神奇的特性，那就是它們可以排出磁場。所以如果你把一塊磁鐵放在超導(dǎo)體上，磁鐵就會懸浮起來。

超導(dǎo)材料如何能完美地傳輸電流而不損失能量？要回答這個問題，我們必須深入到亞原子的基礎(chǔ)，這意味著我們必須調(diào)用量子力學(xué)。超導(dǎo)是什么？為什么它如此特別，量子力學(xué)又是如何解釋它的？

邁斯納效應(yīng)

20世紀(jì)初，材料在很冷的溫度下達(dá)到低電阻的想法被廣泛接受，但人們還不懂的是接近絕對零度時電阻會發(fā)生什么變化？開爾文認(rèn)為電子會完全停止，因此電阻會變成無窮大。因此，當(dāng)首次發(fā)現(xiàn)材料的電阻可以在非常低的溫度下變?yōu)榱銜r，這是出乎意料的。1911年，昂內(nèi)斯第一個在水銀中發(fā)現(xiàn)了這一點，并發(fā)現(xiàn)它在4.2開爾文的溫度下具有超導(dǎo)性。后來，人們發(fā)現(xiàn)其它金屬和合金可以在更高的溫度下超導(dǎo)。然而，典型的溫度仍然很冷，通常低于150開爾文。

1933年，沃爾特·邁斯納和羅伯特·奧克森菲爾德又有了一個重大發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬在一個小磁場中冷卻時，隨著金屬變得超導(dǎo)，磁通量會自發(fā)地排除在外，這現(xiàn)在被稱為邁斯納效應(yīng)。通常，物質(zhì)允許磁場穿過它。然而，超導(dǎo)的一個性質(zhì)是超導(dǎo)材料會排出磁通量場，換句話說，磁場不能穿過它。因此，磁鐵的磁場會提升材料，以使磁通量能順利流向另一磁極，這也就是導(dǎo)致懸浮的原因。

即使在這一發(fā)現(xiàn)之后，仍然不知道超導(dǎo)的確切原因是什么。在超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)的46年后，我們才有了第一個真正的微觀理論來描述超導(dǎo)發(fā)生的事情。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·施里弗提出了現(xiàn)在被稱為BCS的理論，并在1972年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。他們到底發(fā)現(xiàn)了啥？

電阻產(chǎn)生的原因

為了理解電子如何在超導(dǎo)體中無阻力地流動，我們首先需要理解導(dǎo)致阻力的原因。在金屬內(nèi)部，離原子核最遠(yuǎn)的最外層電子可以自由移動，以至于金屬可以視為被電子海包圍的原子堆，電子能夠以類似流體的方式流動。如果我們在金屬的一邊通電，它們可以很容易地接受這些新電子，并在另一邊推出一些電子以騰出空間，我們把這種流動解釋為電流。

但電子的流動并不完美。當(dāng)電子在材料中移動時，原子擋住了它們的去路，如果原子完全靜止，電子就能更容易地通過材料。但通常情況并非如此，原子會振動，或者晶格中存在缺陷，電子與可能正在振動的原子發(fā)生碰撞。這將導(dǎo)致電子發(fā)生散射，最終將其部分能量釋放給了原子，使其振動得更厲害。這種增加的振動導(dǎo)致整個晶格振動得更多，這種較高的振動導(dǎo)致金屬升溫，這就是電阻導(dǎo)致能量損失的原因。

隨著溫度的升高，原子的振動會更強烈，這將導(dǎo)致更高能量的碰撞和更高的電阻。這種導(dǎo)致電子散射的振動可以通過降低金屬的溫度來減少。但是，原子的振動不能完全停止，因為海森堡的不確定性原理進(jìn)行了限制，那么電阻又是如何完全消失的呢？

費米子與玻色子

要理解這一點，我們先來重溫費米子和玻色子的概念。粒子都有一個與動量有關(guān)的特性叫做自旋，自旋并不是指物理上的旋轉(zhuǎn)，而是粒子的內(nèi)稟性質(zhì)。這些自旋值是普朗克常數(shù)的倍數(shù)：它要么是整數(shù)倍，要么是半整數(shù)倍。具有半整數(shù)自旋的粒子稱為費米子，具有整數(shù)自旋的粒子稱為玻色子。例如，一個電子電子可以有 1/2或-1/2的自旋，所以它是費米子；光子可以有 1或-1的自旋，所以它是玻色子。

玻色子和費米子在亞原子水平上的行為不同。在量子系統(tǒng)中，任何數(shù)量的相同玻色子都可以占據(jù)相同的能級，但費米子的情況并非如此，兩個或兩個以上相同的費米粒子不能占據(jù)相同的能級，這被稱為泡利不相容原理。簡單來說，相同費米子不能堆在一起，而玻色子沒有這個限制，相反它們在低溫下喜歡堆在一起。

超導(dǎo)：庫珀對

當(dāng)一個電子在導(dǎo)體中移動時，它會被其他電子排斥，但它也會吸引構(gòu)成金屬剛性晶格的正離子。這種吸引力使離子晶格發(fā)生扭曲，使離子輕微地向電子移動，增加了晶格附近的正電荷密度。這種正電荷密度可以在遠(yuǎn)距離吸引其他電子，由于離子的移位，這種吸引力可以克服電子的排斥并導(dǎo)致它們兩兩結(jié)合。兩個電子以這種方式結(jié)合在一起，稱為庫珀對。

如果材料的溫度足夠低，庫珀對會保持在一起，因為它沒有足夠的能量分裂。然后，我們可以將這種組合當(dāng)成單獨的粒子來對待。當(dāng)兩個電子以這種方式結(jié)合在一起時，它們的半自旋一起形成一個整數(shù)自旋。換句話說，它們開始表現(xiàn)得像玻色子，它們不再受泡利不相容原理的限制。

現(xiàn)在的情況是，由于任意多個玻色子都可以進(jìn)入相同的低能態(tài)，庫珀對的集合開始表現(xiàn)得像一個實體。當(dāng)一束玻色子冷卻到低溫占據(jù)最低量子基態(tài)時，就稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。它們就像一個玻色子電子一樣，都處于相同的低能量狀態(tài)。它是帶負(fù)電的，因為它是由帶負(fù)電的電子組成的，所以這意味著它可以導(dǎo)電。

正常情況下，當(dāng)一個電子與一個原子碰撞并散射時，它會因為碰撞而失去一些能量。但是對于庫珀對，它沒有更低的能量了，因為它們已經(jīng)處于最低的能態(tài)，所以它們不可能再損失任何能量了。庫伯對與原子之間缺乏相互作用，有效地導(dǎo)致電子流動沒有阻力，材料就變成了超導(dǎo)體。庫珀對中的電子的相互作用非常弱，所以超導(dǎo)通常只在非常低的溫度下發(fā)生。當(dāng)溫度超過臨界溫度時，庫伯對就會被破壞，因為已經(jīng)有足夠的能量將它們分解，因此超導(dǎo)性就會喪失。

以上所描述的機制是對庫珀對如何形成的常規(guī)理解，但是可能還有其他機制我們尚未了解。