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BCS-theorie

Das BCS-Theorie ist eine Theorie, die Supraleitung beschreibt. Die Theorie ist nach den Physikern benannt Bardeen, Cooper und Schriftsteller, die sie 1957 vorschlugen. Der Mechanismus, der in dieser Theorie zur Supraleitung führt, ist die Bildung von Elektronenpaaren, sogenannten Cooper-Paare. Diese gepaarten Elektronen sind Bosonen, und kann daher dann a Bose-Einstein-Kondensat Formen.

Geschichte

Obwohl die Supraleitung bereits 1911 von dem niederländischen Physiker entdeckt wurde Kamerlingh Onnes, dauerte es lange, bis die Physiker dieses Phänomen gut beschreiben konnten. Teilweise verzögert durch die Weltkriege, würde es erst in den 1950er Jahren dauern, bis wirkliche Fortschritte in diesem Verständnis gemacht wurden quantenmechanische Phänomen. Den ersten wirklichen Fortschritt machte der Physiker Fritz London, der nach ihm benannt hat hem London Vergleiche ausgearbeitet. 1955 bestanden John Bardeen hinein Meissner-Effekt ein typischer Effekt in Supraleitern. Endlich, ein Jahr später Leon Cooper, aufbauend auf der Arbeit von Bardeen, zeigen, dass Elektronen bei ausreichend niedrigen Temperaturen gebundene Paare bilden können, um Supraleitung zu erzeugen.

1957 bündelten Bardeen, Cooper und Schrieffer ihre Ideen in einer Theorie namens BCS-Theorie. Dafür und für die folgenden Arbeiten erhielten sie 1972 den 1972 the Nobelpreis für Physik.

Hintergrund

Spezifische Wärmekapazität in blau und spezifischer Widerstand in grün als Funktion der Temperatur.

Die Elektronen eines Metalls sind Fermionen, und zusätzlich geladen. Das heißt, Elektronen sind nicht im selben Quantenzustand sitzen können (wegen der Pauli-Prinzip) und erfahren gegenseitige elektrostatische Abstoßung. Die BCS-Theorie beschreibt, wie unter besonderen Umständen (z. B. niedrige Temperatur) diese Kraft überwunden werden kann und Elektronen so gebundene Paare bilden. Da einige Fermionen eine boson außerdem können sich alle diese Paare im gleichen Quantenzustand befinden, ein Phänomen, das als . bekannt ist Bose-Einstein-Kondensation Anrufe. Diese Paare haben auch die besondere Eigenschaft, dass sie keine kleinen Energiepakete aufnehmen können. Schließlich wird ein Mindestmaß an Energie benötigt, um ein Kupferpaar zu brechen. Also wenn einer Potenzieller unterschied angelegt, bewegen sich diese Paare und erzeugen so einen elektrischen Strom, ohne durch Kollisionen mit der Reibung Energie zu verlieren Metallgitter. Das bedeutet genau, dass Supraleitung auftritt: Strom fließt ohne elektrischer Wiederstand.

Natürlich gibt es eine gewisse Energie, oberhalb derer die Kupferpaare brechen. Wenn der Strom zu hoch oder die Temperatur zu hoch ist oder wenn ein zu großes externes Magnetfeld angelegt wird, hört die Supraleitung auf und die normale Leitung wird wieder aufgenommen.

Technisch

Die BCS-Theorie beschreibt Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen in einem Raster. Die anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen im supraleitenden Zustand wird effektiv durch die Wechselwirkung zweiter Ordnung zwischen Elektronen durch ein virtuelles Phonon erreicht. Auch für die Anziehungskraft gibt es intuitive Erklärungen durch Wechselwirkungen mit dem Gitter über Phononen.

Andere Theorien zur Supraleitung

Vor dem Aufkommen der BCS-Theorie im Jahr 1950 gab es auch Lev Landau und Vitali Ginzburg eine Theorie für Supraleitung vorgeschlagen. Der russische Physiker könnte auch Nikolai Bogolyubov gleichzeitig eine Erklärung für die Supraleitung mit dem sogenannten Bogoljubov-Transformationen.

Erfolge und Mängel der BCS-Theorie

Der Meissner-Effekt: Der Magnet schwebt über dem Supraleiter

Der BCS-Theorie gelingt es erfolgreich, verschiedene Phänomene und Eigenschaften von Supraleitern zu erklären. Unter anderem die Beziehung zwischen der Energie benötigt, um ein Kupferpaar zu brechen, und die kritische Temperatur unter denen ein Material supraleitend wird. Dieses Verhältnis beträgt 3,5, unabhängig vom jeweiligen Material. Außerdem sagt die Theorie die Meissner-Effekt, nämlich die Vertreibung eines externen Magnetfeld vom Supraleiter. Diese besondere Eigenschaft von Supraleitern wurde zuvor experimentell entdeckt von Walther Meissner und Robert Ochsenfeld 1933 und war damit für eine gute Theorie der Supraleitung unentbehrlich. Schließlich gelingt es der Theorie auch zu erklären, dass es einen kritischen Wert des äußeren Magnetfeldes gibt, bei dem Supraleitung in einem Material existieren kann. Oberhalb dieses Wertes werden die Kupferpaare unterbrochen und die normale Leitung tritt wieder auf.

Obwohl die BCS-Theorie also eine große Erfolgsgeschichte beim Verständnis und der Beschreibung der Supraleitung ist, stellt sich heraus, dass nicht jeder Supraleiter mit dieser Theorie beschrieben werden kann. 1986 wurde das Phänomen "Hochtemperatur-Supraleitung" entdeckt. Dies betrifft Materialien, die bis zu Temperaturen über 30 temperatures supraleitend bleibenk. Das steht im Gegensatz zu dem, was die BCS-Theorie vorhersagt. Dies deutet darauf hin, dass diese Materialien – auch unkonventionelle Supraleiter genannt – daher mit der BCS-Theorie nicht beschrieben werden können. Die Entwicklung einer guten Theorie unkonventioneller Supraleiter ist ein ungelöstes Problem und eine große Herausforderung für die heutige Physikforschung.

Siehe auch

Literatur

Originalveröffentlichungen:

Studienbücher