△ 诺贝尔物理学奖得主Alexei Abrikosov(1928年6月25日 - 2017年3月29日)。 (图片来源:Argonne National Laboratory)
我们知道,在金属和某些特定合金中,电流可以在原子之间移动从而导电。但是电子的无组织移动会导致原子振动,因此电子移动会受到阻力,这就是所谓的电阻。
1911年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes 有一个惊人的发现。他对在低温下物质所呈现出的性质特别感兴趣,并成功的在非常低温的条件下成功地将氦气液化。这使他可以研究氦在气相和液相的热力学性质。当Onnes探索汞的电导率时,他惊讶地发现当汞被冷却至接近绝对零度(零下273.15摄氏度)时,电子可以通行无“阻”。他将这个“零电阻状态”称为“超导电性”。
为什么会这样?解释着一现象的理论在约50年后才出现。这是由物理学家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer所提出的BCS理论。该理论提到,电子在超导体中,会形成一对对的电子对,称为“Cooper对”。在低温环境下,材料中带正电荷金属原子的结构会形成一个通道,Cooper对便沿着这个通道均匀的流动,不会引起原子振动,即为超导现象。这就好比是气体遇冷时会凝结出水滴,电流在极低温下也会使电子“凝结”出电子对。
这些超导体被称为 I 型超导体。它们都是金属超导体,并且具有迈斯纳效应,即在超导态下,只要磁场强度不超过特定极限,它们就会抵消周围的磁场。如果外部磁场过强,超导体的超导性能就会消失。
△ I型超导体会排斥超导体(迈斯纳效应)。如果磁场的强度增加,它们就会失去超导性。而在II型超导体中,强磁场可以直接穿过。(图片来源:nobelprize.org)
1950年,两名苏联物理学家 Vitaly L. Ginzburg 和 Lev Landau 提出一种描述超导等现象的数学模型。他们的理论试图描述在当时已知的超导体中的超导电性和磁场的临界强度。Ginzburg 和 Landau意识到,如果要解释超导体和磁场间的相互作用,他们需要引进一个有序参数(一个波函数)来描述在材料中超导凝结的密度。
于我而言,实验总是灵感的来源。
——Alexei Abrikosov
当时,郎道的学生 Alexei Abrikosov 正在莫斯科的物理问题研究所工作,他被由不同元素构成的合金的数据迷住了。这些合金在低温时也能变成超导体,但跟I型超导体不同,因为它们即使在强磁场下依然会保持其超导性。这些超导体缺乏或者只有部分迈斯纳效应,被称为II型超导体。面对这种情况,BCS理论就束手无策了。
△ 2003年,Alexei Abrikosov在阿尔贡国家实验室的办公室内。那年他获得了诺贝尔物理学奖。(图片来源:Kevin Tanaka)
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