BCSTHEORIE

BCS-Theorie

 

[biːsiː'es-, englisch], von J. Bardeen, L. N. Cooper und J. R. Schrieffer 1957 auf quantenfeldtheoretischer Grundlage entwickelte mikrophysikalische mikroskopische Theorie der Supraleitung, die alle physikalischen Effekte und Erscheinungen in Supraleitern 1. Art quantitativ befriedigend beschreibt. Nach der BCS-T. ist ein Ordnungsvorgang im System der Leitungselektronen, durch den der Energieaustausch zwischen Elektronen und Ionengitter unterdrückt wird, die Ursache für den Eintritt der Supraleitung. Verantwortlich für diesen Phasenübergang ist eine anziehende Wechselwirkung zwischen je zwei Leitungselektronen mit gleich großem aber entgegengesetzt gerichtetem Impuls und Spin, die größer als die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen ihnen wird, wenn die kritische Übergangstemperatur T_c, bei Einwirken von Magnetfeldern und/oder Strömen auch die kritische magnetische Feldstärke H_c und die kritische Stromstärke I_c unterschritten werden.Diese anziehende Kraft, die je zwei Leitungselektronen zu Cooper-Paaren bindet, wird indirekt durch eine Elektron-Phonon-Elektron-Wechselwirkung über das Gitter vermittelt: Die negative Ladung eines Elektrons zieht die positiven Gitterionen in seiner Umgebung aus ihrer Ruhelage heraus an sich heran, wodurch eine Polarisation des Gitters (Anhäufung von positiver Ladung in der Umgebung des Elektrons) bewirkt wird, die auf das zweite Elektron wirkt. Die quantenfeldtheoretisch als Austausch virtueller Phononen zwischen den Elektronen gedeutete Mitwirkung des Gitters bei der Paarbildung demonstriert der Isotopeneffekt, d. h. die Abhängigkeit der kritischen Temperatur von der Isotopenmasse der Gitterbausteine. Da die Gesamtenergie der beiden Elektronen eines Cooper-Paares um einige 10^-4 eV kleiner als die Summe der Grundzustandsenergien der Einzelelektronen im normal leitenden Zustand ist, existiert im supraleitenden Zustand im Anregungsspektrum der Leitungselektronen eine temperaturabhängige Energielücke, die verantwortlich ist für die besonderen elektrischen, magnetischen, optischen und thermodynamischen Eigenschaften eines Supraleiters. Da die Cooper-Paare sich wie Bosonen verhalten, können sie alle denselben quantenmechanischen Zustand besetzen und in ihrer Gesamtheit quantenmechanisch durch eine Wellenfunktion mit wohl definierter Phase beschrieben werden. Diese besondere Art einer Bose-Einstein-Kondensation und die damit verbundene Kohärenz der Cooper-Paare ist dafür verantwortlich, dass sie sich reibungsfrei durch das Metallgitter bewegen und keinen elektrischen Widerstand liefern. Ihre Kohärenz führt auch zu den Josephson-Effekten.

 

Die Vorstellungen der BCS-T. sind durch den experimentellen Nachweis der Energielücke und der Flussquantisierung sowie durch die Entdeckung der Josephson-Effekte eindrucksvoll bestätigt worden.