關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國(guó)科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國(guó)科學(xué)院物理研究所工作至今。
神奇的超導(dǎo)
羅會(huì)仟
2012年07月06日？作者：羅會(huì)仟 周興江？？？？？？？？？？？？單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所
一、什么是超導(dǎo)？電阻起源于載流子（電子或空穴）在材料中運(yùn)動(dòng)過程中受到的各種各樣的阻尼。按照材料的常溫電阻率從大到小可以分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。絕大部分金屬都是良導(dǎo)體，他們?cè)谑覝叵碌碾娮杪史浅Ｐ〉粸榱?，?0－12 m ？ cm量級(jí)附近。自然界是否存在電阻為零的材料呢？答案是肯定的，這就是超導(dǎo)體。當(dāng)把超導(dǎo)材料降到某個(gè)特定溫度以下的時(shí)候，將進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，這時(shí)電阻將突降為零（圖1），同時(shí)所有外磁場(chǎng)磁力線將被排出超導(dǎo)體外，導(dǎo)致體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，即同時(shí)出現(xiàn)零電阻態(tài)和完全抗磁性。超導(dǎo)態(tài)開始出現(xiàn)的溫度一般稱為超導(dǎo)臨界溫度，一般定義為Tc。微觀上來說，當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)臨界溫度之下時(shí)，材料中費(fèi)米面附近的電子將通過相互作用媒介而兩兩配對(duì)，這些電子對(duì)將同時(shí)處于穩(wěn)定的低能組態(tài)，叫“凝聚體”。在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，所有電子對(duì)整體能夠步調(diào)一致地運(yùn)動(dòng)，因此超導(dǎo)又屬于宏觀量子凝聚現(xiàn)象。對(duì)于零電阻態(tài)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)超導(dǎo)材料的電阻率小于10－23 m ？cm，在實(shí)驗(yàn)精度允許范圍內(nèi)已經(jīng)可以認(rèn)為是零。如果將超導(dǎo)體做成環(huán)狀并感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流將在環(huán)中流動(dòng)不止且?guī)缀醪凰p。超導(dǎo)體的完全抗磁性并不依賴于超導(dǎo)體降溫和加場(chǎng)的次序，也稱為邁斯納（Meissner）效應(yīng)。一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體，零電阻態(tài)和完全抗磁性是必須同時(shí)具有的兩個(gè)獨(dú)立特征。
超導(dǎo)態(tài)下配對(duì)的電子對(duì)又稱庫珀（Cooper）對(duì)。配對(duì)后的電子將處于凝聚體中，打破電子對(duì)需要付出一定的能量，稱為超導(dǎo)能隙，它反映了電子間的配對(duì)強(qiáng)度。一般來說，超導(dǎo)態(tài)在低外磁場(chǎng)及低溫下是穩(wěn)定的有序量子態(tài)。超導(dǎo)體的一系列神奇特性意味著我們可以在低溫下穩(wěn)定地利用超導(dǎo)體，比如實(shí)現(xiàn)無損耗輸電、穩(wěn)恒強(qiáng)磁場(chǎng)和高速磁懸浮車等。正因如此，自從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)超導(dǎo)材料的探索腳步一直不斷向前，對(duì)超導(dǎo)微觀機(jī)理和超導(dǎo)應(yīng)用的研究熱情也從未衰減。隨著對(duì)超導(dǎo)研究的深入，一系列新的超導(dǎo)家族不斷被發(fā)現(xiàn)，它們展現(xiàn)的新奇物理現(xiàn)象也在不斷挑戰(zhàn)人們對(duì)現(xiàn)有凝聚態(tài)物理的理解，同時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段也因此得以加速進(jìn)步，理論概念更是取得了諸多飛躍。已逾百年的超導(dǎo)研究，在諸多科學(xué)家的推動(dòng)下，依舊不斷展示新的魅力！
圖1.金屬Hg在4.2K以下的零電阻態(tài)
超導(dǎo)材料研究和發(fā)展歷史展現(xiàn)了人們?cè)诔瑢?dǎo)探索中的種種曲折和驚喜，反映了人們?cè)趯?duì)大自然的認(rèn)識(shí)過程中如何付出努力又如何收獲成果。隨著超導(dǎo)新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，人們?cè)噲D用基于量子力學(xué)的微觀機(jī)理去理解超導(dǎo)的本質(zhì)。描述超導(dǎo)的微觀理論在豐富的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)上逐漸浮出水面。這些理論在為人們尋找其他超導(dǎo)體方面既起到引導(dǎo)作用，也曾有誤導(dǎo)的一面，但它們突破了傳統(tǒng)物理概念的樊籠，對(duì)凝聚態(tài)物理乃至整個(gè)物理研究都起到了主要的推動(dòng)的作用。當(dāng)然，人們更迫切地希望能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用，為人類生產(chǎn)和生活帶來福祉。這也正是超導(dǎo)研究的最終目的。二、超導(dǎo)材料的歷史
超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，與低溫的獲得密切相關(guān)。傳統(tǒng)的低溫環(huán)境主要依靠液化氣體來實(shí)現(xiàn)，比如液氫的沸點(diǎn)是20 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對(duì)應(yīng)著零下273攝氏度，20 K即相當(dāng)于零下253攝氏度）。1908年，荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的昂內(nèi)斯（Karmerlingh Onnes）等將最難液化的氣體——氦氣成功液化，并獲得液氦的沸點(diǎn)為4.2 K。通過液氦進(jìn)一步節(jié)流膨脹技術(shù)可以獲得低至1.5 K的低溫環(huán)境。隨后在1911年4月8日，昂內(nèi)斯等人在測(cè)量金屬汞在低溫下的電阻時(shí)，驚訝地發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降至4.2 K以下時(shí)，汞的電阻突然下降到儀器測(cè)量不到的最小值，基本可認(rèn)為是零電阻態(tài)。第一個(gè)超導(dǎo)體——金屬汞就此被發(fā)現(xiàn)，其Tc為4.2 K。原則上說，如果把高純金屬認(rèn)為是理想導(dǎo)體，也可以具有零電阻態(tài)，但超導(dǎo)體與單純零電阻態(tài)的理想導(dǎo)體有本質(zhì)區(qū)別，具有更多的奇特性質(zhì)。1933 年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納（W. Meissner）和奧森菲爾德（R. Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，即具有完全抗磁性，超導(dǎo)態(tài)下磁化率為－1，這成為判斷超導(dǎo)體的另一個(gè)重要特征指標(biāo)。
超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)研究了其他金屬和合金是否在低溫下具有超導(dǎo)電性。人們發(fā)現(xiàn)原來超導(dǎo)現(xiàn)象在大部分金屬中都存在，一些材料在常壓和低溫下即可超導(dǎo)，還有的需要在高壓和低溫下才有超導(dǎo)電性。在元素周期表中，除了一些磁性金屬如Mn、Co、Ni，堿金屬如Na、K、Rb，部分磁性稀土元素，惰性氣體和重元素等尚未觀測(cè)到超導(dǎo)電性外，其他常見金屬甚至非金屬元素都可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
金屬和合金以及簡(jiǎn)單金屬化合物的超導(dǎo)臨界溫度都很低，到1986 年為止，人們發(fā)現(xiàn)Tc最高的化合物是Nb3Ge，Tc = 23.2 K。這意味著實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)需要依賴非常昂貴的液氦來維持低溫環(huán)境，極大地制約了超導(dǎo)研究和超導(dǎo)應(yīng)用。當(dāng)時(shí)一些理論甚至明確指出，基于電聲子相互作用機(jī)制的超導(dǎo)臨界溫度可能存在一個(gè)極限，即超導(dǎo)臨界溫度的最高值Tcmax = 40 K。然而，人們從未放棄尋找更高Tc 超導(dǎo)材料的希望。1986年，位于瑞士蘇黎世的IBM公司的柏諾茲（J. Bednorz）和繆勒（K. M ller）獨(dú)辟蹊徑，他們沒有從常見的金屬合金體系中去尋找更高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體， 而是選擇在一般認(rèn)為導(dǎo)電性不好的陶瓷材料中去探索超導(dǎo)電性。結(jié)果他們?cè)贚a-Ba-Cu-O體系中首次發(fā)現(xiàn)了可能存在超導(dǎo)電性，其Tc 高達(dá)35 K。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了世界范圍高溫超導(dǎo)研究的熱潮，隨后上演了一場(chǎng)空前激烈的刷新Tc 記錄的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。1987年2月，美國(guó)休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)在YBa2Cu3O6+體系存在90 K以上的Tc，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)(液氮的沸點(diǎn)為77 K)，使得超導(dǎo)的大規(guī)模研究和應(yīng)用成為可能。之后，1988 年盛正直等人在Tl-Ba-Ca-Cu-O體系中發(fā)現(xiàn)Tc=125 K；1993 年席林（Schilling）等在Hg-Ba-Ca-Cu-O 體系再次刷新Tc 記錄至135 K；1994年，朱經(jīng)武研究組在高壓條件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10 體系的Tc 提高到了164 K，這一最高Tc紀(jì)錄一直保持至今。在短短十年左右時(shí)間，銅氧化物超導(dǎo)體的Tc值翻了幾番，令人驚嘆于科學(xué)家的勤奮和激情之余，更多的是被超導(dǎo)研究中的驚喜和無窮的魅力所吸引。相對(duì)于常規(guī)的金屬和合金超導(dǎo)體（一般稱為傳統(tǒng)超導(dǎo)體），銅氧化物超導(dǎo)體具有較高的超導(dǎo)臨界溫度（突破傳統(tǒng)理論設(shè)定的40 K極限），因此被稱為高溫超導(dǎo)體。
事實(shí)上，除了金屬合金和銅氧化物高溫超導(dǎo)體之外，人們還在諸多其他材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。在其他金屬氧化物中如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等材料中同樣發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，只是這些超導(dǎo)體的Tc 不如銅氧化物高，因此它們并不被稱為高溫超導(dǎo)體。在一些特殊金屬化合物如CeCu6、CeCu2Si2、CeCoIn5、YbAl3和 UPt3等中，電子的有效質(zhì)量是常規(guī)金屬的一百倍甚至一千倍左右。也就是說，電子在這些材料中的運(yùn)動(dòng)并不像走在平坦大道上那樣非常自由，而是如同在泥塘中艱難行進(jìn)，即電子被強(qiáng)烈地局域化了，等效于電子的質(zhì)量大大增加。這類超導(dǎo)體被稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體，其最高超導(dǎo)溫度在PuCoGa5中達(dá)到18.5 K。碳元素的眾多同素異形體為超導(dǎo)探索提供了豐富的空間，有機(jī)超導(dǎo)體一個(gè)新的家族便由此誕生。富勒烯超導(dǎo)體就是C60和堿金屬之間的化合物，如Cs3C60的Tc高達(dá)38 K，此外諸如KC8和CaC6等堿金屬或堿土金屬碳化物也有10 K左右的超導(dǎo)電性。在其他一維和準(zhǔn)二維有機(jī)材料如k-BEDT-TTF2X和 -BETS2X等也同樣發(fā)現(xiàn)了1 K左右的超導(dǎo)電性，2011年，中國(guó)科學(xué)家又在堿金屬摻雜菲和多苯環(huán)化合物中分別報(bào)道了5 K和33 K的超導(dǎo)電性。2001年，人們?cè)诰哂泻?jiǎn)單二元結(jié)構(gòu)的MgB2材料中意外發(fā)現(xiàn)了39 K的超導(dǎo)電性。有趣的是，該材料其實(shí)早在1953年就被合成，而且作為商用試劑廣泛出售，只是一直沒有人意識(shí)到它是一個(gè)Tc這么高的超導(dǎo)體。后來實(shí)驗(yàn)證實(shí)了它具有和常規(guī)金屬超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)機(jī)理，和銅氧化物超導(dǎo)機(jī)理截然不同，因此它不屬于高溫超導(dǎo)體的范疇。但MgB2的獨(dú)特之處在于它的電子結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)典型的能帶，是一個(gè)兩帶超導(dǎo)體。兩類不同能帶上的電子同時(shí)參與了超導(dǎo)電性，被認(rèn)為是該材料實(shí)現(xiàn)高超導(dǎo)溫度的原因，這為人們理解超導(dǎo)形成機(jī)理提供了新的思路。
隨著對(duì)超導(dǎo)的不斷探索，新超導(dǎo)體帶給人們的驚喜從來沒有停止過。2006年，日本的細(xì)野秀雄（H. Hosono）研究小組在探索新型透明導(dǎo)電材料時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)LaFePO存在4 K左右的超導(dǎo)電性，隨后他們于2008年一月又發(fā)現(xiàn)LaFeAsO1-xFx中存在26 K的超導(dǎo)電性。之后在國(guó)際上引發(fā)了高溫超導(dǎo)研究的第二波熱潮。在短短的數(shù)月之內(nèi)，中國(guó)科學(xué)家通過合成其他稀土鐵砷化物將Tc成功提高到了56 K。經(jīng)過日、中、美、德等國(guó)科學(xué)家的共同努力，許多具有新結(jié)構(gòu)體系的鐵砷化物和鐵硒化物超導(dǎo)體被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。典型母體如LaFeAsO、BaFe2As2、LiFeAs、FeSe等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以進(jìn)行不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性。這個(gè)新的超導(dǎo)家族被稱為鐵基超導(dǎo)體，因其同樣具有40 K以上的超導(dǎo)電性，且超導(dǎo)機(jī)理不同于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，所以它是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之后新的第二類高溫超導(dǎo)體。值得深思的是，類似結(jié)構(gòu)的鐵基化合物其實(shí)早在2000年甚至更早就被人們合成，只是并未進(jìn)一步研究超導(dǎo)的可能性。而傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，鐵元素因?yàn)楹丸F磁性相關(guān)，會(huì)極大地破壞超導(dǎo)電性，因此鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，恰恰就是“山窮水盡疑無路”之后的“柳暗花明又一村”，而且這一村絕對(duì)是個(gè)超級(jí)大村。目前保守估計(jì)的鐵基超導(dǎo)家族成員至少有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），幾乎超越了以往發(fā)現(xiàn)的所有各類超導(dǎo)體的總和?；谠阢~氧化物高溫超導(dǎo)研究中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和高精實(shí)驗(yàn)手段，人們迅速推進(jìn)了鐵基超導(dǎo)的機(jī)理研究?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這類超導(dǎo)體和MgB2類似也是多帶超導(dǎo)體，確切說是五個(gè)不同能帶的電子和空穴載流子都可能參與了超導(dǎo)電性之中。更令人興奮的是，一方面鐵基超導(dǎo)材料表現(xiàn)出傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體的一些類似特征，另一方面它又和銅氧化物的超導(dǎo)機(jī)理有著深刻的類比之處，這為不同超導(dǎo)材料的研究構(gòu)建了諸多橋梁，將超導(dǎo)的研究帶入一個(gè)前所未有的廣闊空間！
圖2. 各種超導(dǎo)體的Tc及其發(fā)現(xiàn)的年代，插圖為幾個(gè)典型超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)
概括一下，目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料主要可以劃分如下幾大家族：金屬和合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體以及其他氧化物超導(dǎo)體。金屬和合金超導(dǎo)體可以用傳統(tǒng)超導(dǎo)微觀理論解釋，又稱為常規(guī)超導(dǎo)體，而其他尚無法用傳統(tǒng)超導(dǎo)理論解釋的超導(dǎo)材料則叫做非常規(guī)超導(dǎo)體。銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度可以超過傳統(tǒng)超導(dǎo)理論預(yù)言的Tc上限40 K，因此他們又稱為高溫超導(dǎo)體。并不是所有銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體都有40 K以上的Tc，這兩大家族部分體系的最高Tc也不過20 K甚至10 K，但由于其超導(dǎo)起源和家族里其他成員相同或相似，人們還是習(xí)慣稱它們?yōu)楦邷爻瑢?dǎo)體。我們將各種代表性超導(dǎo)體的Tc對(duì)應(yīng)其發(fā)現(xiàn)的年代總結(jié)在圖2中?？梢钥闯?，新超導(dǎo)體在每個(gè)時(shí)期都在不斷涌現(xiàn)，其中銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，都是在短時(shí)間內(nèi)迅速提高了超導(dǎo)材料的最高Tc記錄。新超導(dǎo)體的探索歷史不斷說明了打破常規(guī)教條的重要性，鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)還啟示了高溫超導(dǎo)可能廣泛地存在于更多的材料之中，因此未來的超導(dǎo)探索會(huì)永遠(yuǎn)充滿驚喜和新的發(fā)現(xiàn)！三、超導(dǎo)理論的發(fā)展
超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，許多理論物理學(xué)家試圖對(duì)超導(dǎo)的起源進(jìn)行理論上的描述。然而，超導(dǎo)微觀機(jī)理的建立經(jīng)歷了一個(gè)艱巨而曲折的漫長(zhǎng)過程。20世紀(jì)初期，許多頂級(jí)的理論物理學(xué)家都試圖從量子力學(xué)基礎(chǔ)上理解超導(dǎo)電性，但最終并沒有獲得成功，其中包括愛因斯坦，玻爾，海森伯，費(fèi)曼等。直到超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)近50年后，超導(dǎo)微觀理論才被建立。
圖3.第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體的磁場(chǎng)-溫度相圖
在最初對(duì)超導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)過程中，唯象理論起到了非常重要的作用，如二流體模型和倫敦（London）方程等。其中最著名的是前蘇聯(lián)物理學(xué)家金茨堡（Ginzburg）和朗道（Landau）于1950年建立的金茨堡-朗道理論（簡(jiǎn)稱G-L理論），他們從熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理角度描述了超導(dǎo)相變。G-L理論以朗道的二級(jí)相變理論為基礎(chǔ)，假設(shè)了超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間的相變可以用一個(gè)所謂相變序參量來描述，從而推導(dǎo)出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變附近的臨界行為。G-L理論告訴我們，外磁場(chǎng)并不是完全不可以進(jìn)入超導(dǎo)體，實(shí)際上它穿透進(jìn)入了超導(dǎo)體的表面。即使在超導(dǎo)臨界溫度以下，如果外磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，那么它也可以完全進(jìn)入超導(dǎo)體而徹底破壞超導(dǎo)態(tài)，即恢復(fù)到正常態(tài)。能夠破壞超導(dǎo)態(tài)的磁場(chǎng)稱為臨界場(chǎng)Hc，一些超導(dǎo)體只存在一個(gè)臨界場(chǎng)，稱為第一類超導(dǎo)體。而實(shí)際上大部分超導(dǎo)體存在兩個(gè)臨界場(chǎng)，即下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2，這些超導(dǎo)體被稱為第二類超導(dǎo)體（圖3）。當(dāng)磁場(chǎng)增加到下臨界場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)將進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，完全抗磁性被破壞，但是超導(dǎo)電子對(duì)仍然以超導(dǎo)環(huán)流的形式存在，零電阻態(tài)還被保持，這個(gè)中間狀態(tài)被稱為混合態(tài)；當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)到上臨界場(chǎng)時(shí)，零電阻態(tài)也被徹底破壞，超導(dǎo)體恢復(fù)到有電阻的正常態(tài)。1957年，阿布里科索夫（Abrikosov）從G-L方程導(dǎo)出，在第二類超導(dǎo)體中，磁場(chǎng)其實(shí)是以量子化的量子磁通渦旋進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部的，一個(gè)磁通量子為 0 = h/2e（約為2.067 10－15Wb）。在低溫和低場(chǎng)下，量子磁通渦旋將有序地排列，如圖4所示。量子化的磁通很快就被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，并開辟了涉及超導(dǎo)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域——超導(dǎo)體的磁通動(dòng)力學(xué)研究。G-L方程的發(fā)展為其他物理學(xué)領(lǐng)域注入了活力，如其四維擴(kuò)展柯爾曼-溫伯格（Coleman- Weinberg）理論等在量子場(chǎng)論和宇宙學(xué)都取得了重大的成功。
圖4.量子磁通渦旋陣列示意圖（左）和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)圖（右）
早期的超導(dǎo)微觀理論研究都是從單電子模型出發(fā)，但都以失敗告終。隨著研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到，處于超導(dǎo)態(tài)的電子必須存在一個(gè)能隙才能保護(hù)超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定。同位素效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)說明超導(dǎo)臨界溫度Tc和晶體中的原子熱振動(dòng)密切相關(guān)。原子熱振動(dòng)的能量準(zhǔn)粒子（物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)單元，并不是作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的真實(shí)粒子）又叫做聲子，因此超導(dǎo)很可能起源于電子和聲子之間的相互作用。基于這些研究背景，1957 年美國(guó)科學(xué)家巴?。↗. Bardeen）、庫珀（L. N. Cooper）和施里弗（J. R. Schrieffer）成功建立了常規(guī)金屬超導(dǎo)體的微觀理論，簡(jiǎn)稱BCS 理論。這是一個(gè)老、中、青三代科學(xué)家合作成功的典范：巴丁早在半導(dǎo)體研究和應(yīng)用中就卓有建樹，對(duì)超導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，運(yùn)用他敏銳的洞察力，策劃了建立超導(dǎo)微觀理論的“路線圖”，他負(fù)責(zé)組建了這個(gè)三人團(tuán)隊(duì)；庫珀則從電子-聲子相互作用模型出發(fā)，指出只要費(fèi)米面附近的電子存在凈吸引作用，就可以形成配對(duì)達(dá)到一個(gè)具有能隙的穩(wěn)定態(tài)，配對(duì)后的電子對(duì)又稱庫珀對(duì)；施里弗則借鑒了粒子物理研究成果提出了正確的超導(dǎo)波函數(shù)，說明超導(dǎo)態(tài)確實(shí)是Cooper對(duì)的量子凝聚態(tài)。在BCS理論框架下，電子-電子配對(duì)是通過交換“虛”聲子而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)電子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)由于庫侖相互作用而導(dǎo)致局域晶格畸變，這樣，當(dāng)另外一個(gè)電子通過時(shí)，會(huì)感受到第一個(gè)電子通過時(shí)導(dǎo)致的晶格畸變的影響，從而在兩個(gè)電子之間產(chǎn)生間接吸引相互作用。當(dāng)參與配對(duì)的兩個(gè)電子的動(dòng)量大小相等，方向相反，且自旋相反時(shí)，對(duì)配對(duì)最有利。這樣形成的電子對(duì)總動(dòng)量為零，總自旋為零。所有的電子對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中能夠保持“步調(diào)一致”（物理上叫做相位相干，即具有相同相位），即使受到雜質(zhì)等散射也將保持總動(dòng)量不變，從而在外加電場(chǎng)作用下能夠不損失能量而運(yùn)動(dòng)——這就是零電阻態(tài)的起源。要破壞超導(dǎo)態(tài)就必須打亂庫珀對(duì)的整齊步調(diào)或者克服能隙將電子們拆對(duì)，電子之間配對(duì)相互作用強(qiáng)度和空間上的關(guān)聯(lián)尺度是由整體電子能量和動(dòng)量分布情況所決定的，因此超導(dǎo)態(tài)是在低溫和低磁場(chǎng)下穩(wěn)定的電子對(duì)宏觀量子凝聚態(tài)（圖5）。
圖 5？. 李政道先生提議的有關(guān)BCS超導(dǎo)機(jī)理漫畫：?jiǎn)纬崦鄯浯韱蝹€(gè)電子，題曰：“單行苦奔遇阻力，雙結(jié)生翅成超導(dǎo)”，下面為蜂窩狀的C60系列超導(dǎo)體。
BCS理論的成功，不僅表現(xiàn)在它可以解釋已經(jīng)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且在于它可以預(yù)言許多新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并被后來的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。通過BCS理論，可以導(dǎo)出庫珀對(duì)的空間關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度——相干長(zhǎng)度、磁場(chǎng)穿透超導(dǎo)體表面的穿透深度、下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)、臨界電流密度等一系列超導(dǎo)體特征物理量。更重要的是，它提出了基于電子-聲子機(jī)制的超導(dǎo)體Tc的描述公式，并據(jù)此預(yù)言了常規(guī)超導(dǎo)體Tcmax=40 K的上限。BCS 理論在解釋常規(guī)金屬超導(dǎo)現(xiàn)象中獲得了巨大的成功，它的許多物理概念和物理思想都在后續(xù)的超導(dǎo)研究中影響深遠(yuǎn)。盡管后來發(fā)現(xiàn)電子配對(duì)未必需要自旋相反，導(dǎo)致配對(duì)的相互作用的媒介未必是聲子，而配對(duì)對(duì)稱性也未必是各向同性的s 波（即各向同性的配對(duì)能隙），但電子配對(duì)的思想仍然是一直沿用的。此外，BCS理論也被粒子物理學(xué)家擴(kuò)展用來描述核子之間的配對(duì)相互作用，只是相互作用力從電磁相互作用改為了強(qiáng)相互作用。脈沖中子星上的質(zhì)子超流和中子超流就可以用BCS理論很好地加以解釋。BCS理論的建立對(duì)粒子物理的重大進(jìn)展如Goldstone定理、希格斯機(jī)制的提出等產(chǎn)生了重要影響。然而，高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，以及一些其他非常規(guī)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，對(duì)經(jīng)典的金屬理論（朗道費(fèi)米液體理論）和傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論提出了挑戰(zhàn)。在銅氧化合物高溫超導(dǎo)體中，母體的晶體結(jié)構(gòu)是以Cu-O層為基礎(chǔ)的氧化物