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第37卷 第6期 2009年11月 河南师范大学学报(自然科学版) Journal of Henan Normal University(Natural Science) Z.37 No.6 NOV.2009 文章编号:1000—2367(2009)06—0158—04 约翰·巴丁对超导理论的贡献 侯新杰 ,鲁建国 ,王 瑞。 (1.河南师范大学物理与信息工程学院,河南新乡453007;2.焦作师范高等 专科学校,河南焦作454150;3.郑州交通职业学院,郑州450062) 摘 要:文章首先简单介绍了超导微观理论 些情况. BCS理论诞生的背景和约翰·巴丁有关超导理论的前期研究 工作,接着详细叙述了巴丁、库珀和施里弗三人组成的研究小组建立BCS理论的情况,最后介绍了有关理论发表的 关键词:巴丁;库珀;施里弗;BCS理论;诺贝尔物理学奖 中图分类号:N09 文献标识码:A 约翰·巴丁,物理学界一个响亮的名字,他于1956年与布拉顿和肖克利由于在半导体研究方面的突出贡献,并且发现了 晶体管效应而获得诺贝尔物理学奖;又于1972年与库珀和施里弗因建立超导微观理论——Bcs(巴丁一库珀一施里弗)理论 而再次获得诺贝尔物理学奖,他也因此成为迄今为止唯一在同一领域中两次获得诺贝尔奖的科学家.对于他的这两个伟大成 就,哪一个更有意义呢?毋庸置疑,晶体管引起了技术,使我们的世界发生了巨大变化.但是,巴丁却认为BCS理论对于 物理学的发展意义更加深远 1].事实上,巴丁的这一观点是正确的,BCS理论使人们从微观上揭开了超导的秘密,推动了超导 理论与实验研究的发展,被人们看作是自量子理论发展以来对理论物理学最重要的贡献之一.巴丁在由他和库珀、施里弗组 成的研究小组中发挥了领导和协调作用,利用自己丰富的研究经验使库珀和施里弗两位年轻学者的创造力得以充分发挥,从 而为BCS理论的建立做出了重要贡献.在他诞辰100周年之际,让我们回顾一下这一理论的诞生情况,以纪念这位伟大的物 理学家. 1 BCS理论诞生的背景 自从1911年超导电性现象被发现后,物理学家们在不断地努力发现关于超导电性的微观理论.然而,这项研究的进展却 异常缓慢、艰难.正像巴丁本人所说的那样,“有将近5O年的时间,超导电性不能够为人所解释,而且是物理学中悬而未决的难 题之一”.有人甚至认为,在很长的一段时间内,超导理论的研究是“理论物理学的耻辱与绝望”. 正是在这样一个引人人胜 而又令人生畏的领域里,巴丁通过与人合作建立了BCS理论,从而为超导理论的发展做出了里程碑式的经典工作. 2 巴丁有关超导理论的前期研究工作 巴丁在普林斯顿读研究生时期就迷恋上了超导这一奇妙现象.从在维格纳指导下做博士学位论文开始,他就在进行有关 电子相互作用和金属、半导体及超导体迁移特性方面的研究.在战争期间和4O年代后期在贝尔实验室期间,这方面的研究一 度中断过,1951年巴丁来到伊利诺斯大学后,重新投入这一领域的研究. 在超导的研究方面,巴丁深受弗里茨·伦敦的影响.弗里茨·伦敦认为超导电性是一种宏观尺度上的量子现象,提出了 能隙的猜测,并认为“电子被某种形式的相互作用所耦合,使得最低能态可被一有限的能隙同激发态分离开”,他还极力主张, 根据迈斯纳效应,完全抗磁性的方面才是超导体最基本的性质.弗里茨·伦敦的这些观点对巴丁日后的超导理论研究产生了 重要作用. 1950年,麦克斯韦、雷诺兹等人发现了同位素效应,他们观察到,转变温度随着给定金属同位素质量的增加而降低,其变 化大致与质量的平方根成反比.根据这一线索,巴丁推断,超导电性是由电子与声子的相互作用引起的,并且他根据一个能隙 收稿日期:2008—05—13;修回日期:2009—08—20 基金项目:河南省教育厅自然科学研究项目(2007880008);河南省教育科学“十一五”规划2OO8年课题(2008一JKGHAzD 078)研究成果之一 作者简介:侯新杰(1963--),男,河南长葛人,河南师范大学教授,博士;主要从事物理学史、物理课程与教学论等方面研究. 第6期 侯新杰等:约翰·巴丁对超导理论的贡献 159 很小的模型.给出了一个反映同位素效应的图解,从而为超导微观理论的建立做出了第一个重要贡献. 虽然巴丁的理论在正确的方向上取得了突破,但是仍有许多难以克服的困难和问题.正像他自己意识的那样,理论未能 把正常态产生的相互作用同那些对于超导电性起特殊作用的相互作用加以充分恰当的区分;理论本质上不能成功地说明超 导性质.1952年,英国物理学家弗烈里希提出了有效电子一声子相互作用来表示的哈密顿量,它包含了电子间由于电子一声 子相互作用而产生的吸引,但却忽略了看起来似乎很大的库伦相互作用.后来巴丁与派尼斯等人合作突破了这一问题,提出了 包含库仑相互作用在内的完整的哈密顿量. 3 巴丁、库珀和施里弗组成3人研究小组 尽管提出了完整的哈密顿量,但是人们并不清楚这个哈密顿量中究竟哪一部分最重要,从而无从着手做进一步的计算. 要解决这样复杂的问题,巴丁认为就需要有严密的新方法,于是他想找一位有天赋并且熟悉量子理论领域新方法的年轻专 家.他联系了普林斯顿高等研究所的杨振宁,杨振宁向他推荐了库珀.1955年9月,库珀来到伊利诺斯大学.同时,巴丁的一位 研究生施里弗也加入到他们的研究中,他们三人从而组成了研究小组,在巴丁的领导下准备攻克超导微观理论的最后难关. 首先,巴丁给库珀和施里弗两人讲了要建立一个成功超导理论所需要解决的关键问题.巴丁认为,超导电性是某一有序 参量的长程序结果,这一序参量还有待确定,并且与动量空间的一个电子团是对应的.超流体中的所有电子形成一个宏观上 的系统,这一系统处于一个的量子态.另外,巴丁还特别指出,一个能隙,或者说激发态电子的密集程度的大规模降低,是 超导体的特征,这与有关导热性、电子比热、微波与光传导性的实验结果是相符合的. 巴丁还强调,从常相转到超导相的过程中,每个电子的凝聚能的数量级是10一eV,比常相或超导相中的电子一电子相互 关系能的总量小8个数量级.直到今天,每个电子的相互关系能的精确计算也只达到1电子伏的十分之一.这就说明由于这两 个数据差别太大,凝聚能是计算不出来的.相反,随着两种相间大部分相互关系的消失,抛开从常相到超导相这一转变本质上 的物理过程,凝聚能是可以直接计算出来的. 为了实施这一提议,巴丁认为应该通过费密液体的普遍理论一朗道理论来描述常相.在当时朗道理论基本上还不为人所 熟悉,但它却包含了除超导相互关系外的所有内容.描述超导相的基态和激发态将会以朗道理论的正常态组态为基础.巴丁 相信,从一个合适的微观理论可以得到two—fluid—type模型,尽管这一模型很可能与先前已经提出two—fluid(双流体)模型 差别很大. 在1955年至1956年的冬天,库珀研究了如何确定显示基态和低受激态间一个隙的模型的特征这一问题.同一时期,施 里弗开始钻研布吕克纳建立多体理论的方法,希望以此找到一个处理超导问题的合适方法. 1956年的春天,库珀研究了在静费密子海上两电子的相互作用问题,并且得到了一个令人意想不到的结果,也就是无论 这对电子间的相互引势有多么弱,这对电子都处于一种结合的状态.然而,当有一个能隙要打破它们的结合时,就没有能隙来 维持这对电子的漂移运动,尽管随着这对电子开始相应地移向背景费密子海的能量在急剧增加. 这样,库珀发现,如果存在一个引势,那么常相的不稳定性与结合在一起的电子对的形成有关 ].巴丁认为这是一个重要 线索,于是他们迅速行动,通过一次探讨所有可能相互作用的电子对而不是单独的一对来击破这一问题. 运用简单的高能观点和不确定性原理,巴丁得到这样的结论:结合态的尺寸——实质上,就是相干长度——与凝聚对间 的平均间隔相比,是很大的.因此,这一系统不是玻色子的稀薄气体,与之相反,而是一个非常密集的相互作用系统,并且这一 系统是边界不明、高度重叠、具有对相互关系的费密子. 他们的工作气氛很特别.巴丁和库珀在同一个办公室,位于物理系的三楼,作为研究生的施里弗在三楼半的一个房间.他 们三人每天都要会面一次,讨论一些观点和研究进展.施里弗回忆说,那段日子里,有时很令人激动,有时也很令人沮丧,尤其 是想法错误时,但是巴丁总是很乐观,他也要他们俩也保持乐观的心情.那时他们在一起能呆上几个小时,常常坐着静静地思 考,巴丁有时会在很长一段时间里保持沉默。就在施里弗想象着这次讨论恐怕要结束时,巴丁突然问会向他们俩讲他想出的 结果. 然而,1956年l1月,施里弗却对自己在超导方面的研究失去了信心,于是私下开始抽时间研究巡回铁磁性问题.那时,巴 丁、布拉顿和肖克利由于发明了晶体管而获得诺贝尔奖.在巴丁动身前往斯德歌尔摩领奖前夕,施里弗向他说了他的想法.巴 丁极力劝说施里弗对超导的研究再坚持几个月,并告诉他他们离成功已经不远了.当时,施里弗和库珀一点也不明白他为什 么会这么认为. 1957年1月,关于多体理论的学术会议在史蒂文斯理工学院召开.会议期间,一个想法突然出现在施里弗的脑海里,即由 于电子对的多重重叠,适用于一种平均场的统计近似法可能也会适用于他正在研究的超导问题.随后又想到Sin—itirO To— monage的一篇关于一个静止核周围介子云的论文,于是他以高度的直觉得出一个基态微波函数跚 }’ >=Ⅱ(“ - ̄-73k ̄k+,f ^+)lO>, (1) 其中f 是一个具有动量k和向上自旋的电子的产生算符,l O>是真空状态, 和” 待定.拥有一个具有动量k和向上自旋 160 河南师范大学学报(自然科学版) 2009点 (spin up)的电子和拥有一个动量一k和向下自旋(spin down)的电子的状态,要么都是空的,要么都被占着. 早些时候,巴丁曾特别指出,只含有能产生准粒子组态间负矩阵元的微波函数是很关键的,准粒子组态通过施里弗所运 用的成对状态可以实现.巴丁还强调,由于在那种情况下,所有玻色子会聚集在一起处于没有一个能隙的最低能量状态,因此 那些对不会遵守玻色统计法.这样,泡利定理处理这一密集对系统的动力学问题就是很关键的了.尤其是,处于不同k状态的 对遵守玻色统计法,但是处于相同k状态的对却遵守费密统计法.费密统计法的制约对于能隙的形成是很关键的,并且可以 阻止费密海的瓦解,这是产生超导电性的基础.如果没有泡利定理给予处于相同状态对的约束,就会产生超流动性而不会产 生超导电性,这就是氦一4变化情况和超导体变化情况间的重要区别 考虑到参量u 和v ,施里弗把微波函数的能量减到最小,这样他就得到了能隙方程,还有它的解及凝聚能.在此之前,巴 丁曾经从直觉上认为电子对重叠对于修正超导理论是很关键的.这也就说明了巴丁的直觉是正确的. 回到伊利诺斯大学施里弗立即向巴丁说明了他所得出的基态函数和计算结果.巴丁听后立即认为这将使超导问题得以 最终解决,并且很快意识到在激发波普中会有一个能隙.第二天巴丁向库珀和施里弗说明了施里弗所找到的基态隙参量事实 上就是形成准粒子激发的能隙,并且还给出了严格的证明. 接着又计算了临界磁场和能隙大小之间的关系,巴丁他们惊喜地发现他们的计算结果与廷克汉姆和格洛弗新近利用新 远红外分光技术测量这一关系时所得结果间的误差不超过1O .这第一次证明他们的理论能够给予准确的定量预测. 斯利克特和他的学生赫布尔做出了一个重要贡献,那就是当时他们正在通过核磁共振实验来测量超导铝样品中的纵自 旋驰豫率.先前所有的双流体理论都这样预言:在低于转变温度时,纵自旋驰豫率将逐渐降低,随着温度的降低,会逐渐降至 零.但赫布尔和斯利克特却发现,温度很低的情况下,当低于T 时,这一驰豫率第一次出现峰值,随即降低至非常低的值.他 们这一出人意料的发现引起了巴丁他们的注意.事实上,巴丁当时正在计算核磁共振驰豫率,并且发现他们的这一理论预测 到在低温情况下这一驰豫率的一个峰值,随后又降低,这与赫布尔一斯利克特的实验结果完全一致. 这一实验是对作为成对理论特征的详细相互关系的首次微观检验.巴丁他们运用热力学特性测量态密度的同时,也在通 过核磁共振实验测量一个矩阵元,这一矩阵元还涉及到受制于这一实验的所谓的相干因素.他们发现核磁共振弛豫率有一个 峰值,而声衰减率却急剧下降直到低于Tc而没有显示赫布尔一斯利克特峰.这与超声衰减测量中的结果完全一致,这又一次 详细验证了理论. 经过13 d的紧张工作,巴丁他们得出了导电性、核磁共振弛豫率和声弛豫率等这些可在实验中观察到的特性.其中库珀 解决了迈斯纳核的问题,而施里弗得出了超导相的动力学特性.n]最后,他们得出了大部分的本质特征. 施里弗回忆说,在他们对这一问题实现最后突破之前,巴丁对答案就已经清楚了分.巴丁清楚他们解决这一问题时 将会遇到的所有困难,并且预先指明了这一理论的清晰轮廓.因此,当基态一被创立起来,巴丁就很快意识到他们正在通往最 后胜利的路上.巴丁对科学问题敏锐的洞察力可见一斑. 4 BCS理论的发表 1957年3月,美国物理学会年会召开.巴丁让库珀和施里弗前往会议地点最先公布公布他们的这一研究结果,而自己却 坚持留在伊利诺斯大学,他这样做的目的无非是想给库珀、施里弗这样的年轻人更多成功的机会.11月,巴丁他们在《物理评 论》上发表了一篇论文,完整地叙述了他们的这一理论.后来,人们习惯采取这一理论的3位作者各自姓氏的第一个字母,称之 为BCS(巴丁一库珀一施里弗)理论. 尽管巴丁对理论很有信心,但是论文发表后,他们还是听到了来自各方的各种各样的评论.一些专家的判断很消极,尤其 些资深专家对这一理论持严重的怀疑态度. 继巴丁他们之后,超导研究上又出现了几大进展.首先,戈尔科夫运用格临函数法从微观成对理论导出京茨堡一朗道理 论.这一大进步表明了能隙参量就是最初唯像理论中提出的序参量.其次,伊瓦尔·贾埃佛做了一个非常重要的实验,运用电 子隧道技术第一次直接测量了能隙[ .第三个重大进展是Sima Eliasherg对强耦合效应的探索,其中包括准粒子衰减和声子相 互作用的减速情况.这三大进展使有关BCS理论正确性的怀疑都烟消云散,BCS理论得到了普遍承认,巴丁、库珀和施里弗三人也因 此而获得了1972年的诺贝尔物理学奖. 5 结束语 在巴丁以后数十年的研究生涯中,他的研究兴趣基本上集中在对超导和宏观量子现象的研究上.他在第二类超导体中的 通量线变化情况研究方面,取得开创性进展.除此之外,他还在以下两个方面做出突出贡献:准一维金属中的电荷密度;低浓 度。He和 He混合物的量子液体的变化情况. 他还探究了激子机制产生高温超导体的可能性.可见,巴丁为超导理论做出 了杰出贡献. Ⅲ 嘲 嘲嗍 第6期 侯新杰等:约翰·巴T对超导理论的贡献 161 参考文 献 Gloria BJ Lubkin.Special Issue John Bardeen[J].Physics Today,1992,45(4):23—25. 刘兵.著名超导物理学家列传[M].北京:北京大学出版社,1988:107一l16. LN Cooper.Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas[J].Phys Rev,1956,104(2):1189—1190. RobertSchrieffer J.John Bardeen andtheTheory of superc0nductivity[J].PhysicsToday,1992,45(4):46—53. Giaever I.Energy Gap in superconductor Measured by Electron TunnelingEJ].Phys Rev Lett,1960(5):147—148 David Pines.An Extraordinary Man:Reflections on John BardeenEJ].Physics Today,1992,45(4):67—70. John Bardeen’S Contribution to the Microscopic Theory of Superconductivity HOU Xin-jie ,LU Jian-guo ,WANG Rui (1.College ̄of Physics and Information Engineering,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China;2.Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000,China;3.Zhengzhou Traffic Vocational College,Zhengzhou 450062,China) Abstract:This article first briefly introduces the background in which the microscopic theory of superconductivity—BCS theory comes into bei驱and John Bardeen S incipient studies on the theory of superconductivity,and then describes in detail how Bardeen,Cooper}and Schrieffer establish BCS theory.In the end,the paper introduces the publication of the theory. Key words:ba ̄deen;cooper;sehrieffer;BCS theory;the nobel prize in physics {上接第157页) [14] Palmero P,Esnouf C,Montanaro L,et a1.Influence of the co-precipitation temperature on phase evolution in yttrium-aluminium oxide materials[J].J Euro Ceram OSc,2005,25:1565—1573.[15]Look J L,Zukoshi C F.Alkoxide-Derived Titania Particles:Use ofElec— trolytes tO Control Size and Agglomeration levels口].J Am Ceram SOc,1992,75(6):587. [16] Li x,Liu H,WangJ Y,et a1.Preparation of YAG:Nd mno-sized powder by co-predpitation method口].Mater Sden El1g,2004,A379;347--350. [17] Xu G G,Zhang X D,He W,et a1.Preparation of highly dispersed YAG nano-sized powder by co-precipitation method[J].Mater Lett, 2006。6O:962—965. Factors Affacting Performance of YAG Powder in Co-precipitation TONG Shi—hong ,LU Tie-cheng (1.College of Sciences of Southwest Petroleum University,Nanchong 637001。Chinal 2.Department of Physics of Sichuan University,Chengdu 610064,China) Abstract:In this lecture,the conclusion is drawn that the lookout for co-precipitation method for YAG powder is most bright.The effect factors on performance of YAG powder in co-precipitation are more detailedly analyzed and are explained in theory.The controlled method is discussed in brief.And the important effect of solvent on performance of YAG powder is em— phasized. Key words:co-precipitation method;YAG Powder;transparent ceramic;phosphors 

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