1972年诺贝尔物理学奖——超导电性理论

1972年诺贝尔物理学奖——超导电性理论1972年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州乌尔班那的伊利诺斯大学的巴

丁（John Bardeen，1908—1991）、美国罗德艾兰州普劳威顿斯（Providence）布朗大学的库珀（Leon N.Cooper，1930—）和美国宾夕法尼亚州宾夕法尼亚大学的施里弗（John Robert Schrieffer，1931—），以表彰他们合作发展了通常称为BCS 理论的超导电性理论。

巴丁1908年5月23日出生于美国威斯康星州的迈第逊。他在迈第逊接受前期教育，后入威斯康星大学电机工程系，20岁时大学毕业，先有三年在匹兹堡的一个公司工作，从事地球物理方面的研究。后来又进入普林斯顿大学学习数学物理，在这里受教于著名物理学家维格纳（E.Wigner），从此涉足固体物理学。1945年受聘于贝尔实验室，由于研制成功半导体晶体管，与肖克利和布拉坦共享1956年诺贝尔物理学奖。

从30年代开始，巴丁就接触到了超导电性。巴丁对于超导电性长期未能得到理论的解释甚为忧虑，他认为这是理论物理学界的耻辱。巴丁对 F.伦敦（F.London）的观点留有深刻印象。F.伦敦认为，超导电性是一种宏观尺度上的量子现象，他的能隙概念和对迈斯纳效应的重视，对巴丁很有启发。1940年，巴丁曾对超导电性的解释作过初步尝试，他认为关键在于费米面①是起因于微小点阵位移而出现的一些小能隙，在紧靠费米面下面的态的电子能量被降低。处于这种态的电子具有非常小的有效能量、很大的轨道和很强的抗磁性。巴丁这一解释是不成功的。1941年巴丁参加战时军事研究，只好把超导电性暂时放下。1950年，由于E.麦克斯韦（E.Maxwell）等人发现超导体的同位素效应，促使巴丁回到超导电性的研究上来。当巴丁听说这一效应的发现时，马上想到有可能是一种电子和声子的相互作用。他在1950年6月写了一篇短文报道自己在电子-声子相互作用的基础上，应用变分波函数方法处理超导体中电子的自能问题。但是他仅仅考虑了在振动场中电子的自能，却无法探讨电子与点阵振动之间真实的相互作用。1955年巴丁再次涉足超导电性。这是因为《物理手册》编者邀请他撰写一篇有关超导电性的述评文章。此时对超导电性的特性已经有了更全面的了解，超

hlich）在1952年提出用

导体能隙存在的实验证据不断增加，弗列里希（H.Fr

有效电子-声子相互作用来表示的哈密顿量，巴丁乃与派尼斯（D.Pines）合作，提出了包括库仑相互作用在内的完整的哈密顿量，表明剩余的电子间库仑相互作用是很小的。这个哈密顿量虽然无法计算，但是却为以后的BCS理论提供了一个有用的基本概念。

此时，巴丁认识到数学方法的重要性，他想到在高能物理中常用到的场论方法也许有助于求解粒子间有相互吸力的费米气体多体问题。于是就找到普林斯顿高等研究院的杨振宁。杨振宁当即推荐正在那里的博士后库珀。库珀在1955年秋来到了巴丁所在的依利诺斯大学。巴丁身边还有一位年轻的研究生施里弗。三人合作，在巴丁的领导下为研究超导电性的微观理论共同努力。

库珀1930年2月28日出生于美国纽约。1951年在哥伦比亚大学获学士学位，1954年获博士学位后到普林斯顿高等研究院当博士后。他的博士论文是关于原子核理论的，在研究中要运用到量子场论。杨振宁把他介绍给巴丁，使他抓住了一个难得的机遇，有机会对超导电性的研究作出自己的贡献。对于库珀来说，研究超导电性的任务是一场遭遇战，在这之前和在这之后，他都不是固体物理学的专家，但是他却在这一领域里作出了关键性的贡献。库珀的贡献在于为超导态建立了正确的物理图像，即电子对。

电子对概念其实并非库珀首创。超导体中的电子是费米子，服从量子统计中的费米-狄拉克统计。1946年，化学家奥格（R.A.Ogg）就在有关液氨中稀释碱金属溶液实验的基础上，想到用低温下的玻色-爱因斯坦凝聚来解释超导电性，这样就要求电子服从玻色-爱因斯坦统计。如果电子是成对出现，就可以满足这一条件。50年代，费因曼等人也曾提出过超导电性的玻色气体模型。然而根据玻色-爱因斯坦凝聚提出的电子对图像所发展的理论，虽然可以导出伦敦方程、可以解释超导体的完全抗磁性，却不能说明超导体的热力学性质，不能解释超导体电阻的产生机制和转变规律。库珀则不是从玻色气体模型出发，而是从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用。他考虑到在费米面上一对自旋相反的电子。他在研究了其他人关于这个问题的想法以后，认为可以得出这样的结论：在吸引的电子-声子相互作用和排斥的库仑相互作用相抵之后，电子间应该还存在吸引相互作用。库珀的计算表明，不论这种吸引相互作用有多弱，总会把电子引向以电子对形式存在的能量较低的束缚态。既然这种束缚态具有较低的能量，只要加一很小的能量就可以激发电子使电子对破坏，激发电子使电子对破坏所需的最小能量，与基态能量有一很小的间隔，这就形成了能隙。库珀还从分析费米面上电子对的集体特性入手，得到了超导态的各种平衡特性。库珀创造性地运用电子对概念是BCS理论成功的关键。

施里弗1931年5月31日出生于美国依利诺斯州的奥克帕克。中学毕业后，进入麻省理工学院，先学电机工程，三年级时改为主修物理。大学的毕业论文是关于重原子中多重谱线结构的问题。毕业后他来到依利诺斯大学当巴丁的研究生。1955年，施里弗已经得到了硕士学位，读完了研究生课程，这时巴丁出了十个题目让施里弗选择其中之一作为博士论文，第十个是超导电性。据说，巴了对施里弗说，第十个最难，做不出成果来就有失败的可能，是有点冒险，但我劝你还是选这个。施里弗最后接受了导师的建议，毅然地选择了最难的题目。巴丁、库珀和施里弗三人的合作从1955年开始，1956年库珀提出电子对概念，找到了合理的物理图像。然而，等待解决的问题还是不少，其中最困难的问题就是：电子对的平均空间尺度约为10-4cm，大约是晶体点阵间隔的一万倍。这样一来，要是费米面附近大量的点阵都结成对子的话，各电子对互相间就会重叠在一起，彼此不会是互相独立的。这时，关键在于找到一个适当的波函数来代表超导体基态的特性。这个问题要解决谈何容易！于是，施里弗有点犹豫了，甚至打算把题目改为研究铁磁性。正好这时，巴丁要去瑞典接受因发明晶体管而获得的诺贝尔物理学奖，临行前，找到施里弗，劝施里弗再坚持一个月，等他回来再作决定。

就在独立工作的这个月中，施里弗在作了多次不成功的尝试之后，终于找到了一个非常简单、便于计算的波函数。经过数学处理，求出了能隙方程，吸引势