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超导现象的秘密武器：为何库珀对能够让电子不再碰撞？
在凝聚态物理学中，库珀对（Cooper pairs），又称BCS对（巴德仁-库珀-施里弗对），是由美国物理学家里昂·库珀于1956年提出的，指的是在低温下以特定方式结合在一起的电子对。这一现象为超导体的运作揭示了其基本原理。
库珀显示，即使是微小的吸引力也足以让金属中的电子结成对，这对的能量会低于费米能量，意味着该对是被束缚的。
在传统超导体中，这种吸引力主要来源于电子与声子之间的互动。库珀对状态是超导现象的根源，而这一理论是由约翰·巴德仁、里昂·库珀及约翰·施里弗共同发展的，并因此于1972年获得诺贝尔奖。
尽管库珀配对是一种量子效应，但从简化的经典解释可见其成因。金属中的电子通常行为如自由粒子。由于其负电荷，电子之间会互相排斥，但它同时会吸引构成金属刚性晶格的正离子。这种吸引力能够扭曲离子晶格，让离子稍微朝向电子移动，进而提高附近的正电荷密度。
这种正电荷能够吸引其他电子。在较长距离下，因为移动的离子引起的电子间的吸引力，可能克服它们之间的排斥效应，导致电子配对。
严谨的量子力学解释显示，这种配对效应是由电子和声子之间的互动所造成。尽管配对互动的能量相当微弱，大约在10−3 eV的量级，热能易于打破这些对，因此在金属及其他基质中，只有在低温时，才会有相当多的电子被束缚在库珀对中。
库珀对中的电子不一定彼此相近，因为互动是长距离的，配对电子之间的距离可能相隔数百纳米，这一距离通常大于平均的电子间距，因此许多库珀对可以占据相同的空间。
电子拥有自旋1/2，因此它们是费米子；然而库珀对的总自旋为整数（0或1），意味着它是组合玻色子，这使得它的波函数对于粒子交换是对称的。
这意味着与电子不同，许多库珀对可以同时处于相同的量子状态，这正是超导现象的根本原因。 BCS理论同样适用于其他费米子系统，例如氦-3。其实，库珀配对还促成了氦-3在低温下的超流性。
2008年，科学家们提出光学晶格中的玻色子对可能与库珀对类似，这种新的视角开启了更多的研究方向。
库珀对与超导性的关联
所有库珀对在一个物体中「凝聚」到相同基态的趋势，正是超导性奇特性质的来源。库珀最初仅考虑了孤立对的形成，但当研究更真实的多电子配对状态时，就像BCS理论所阐述的那样，配对会在电子可允许的能量状态连续谱中打开一个能隙，这意味着所有的系统激发必须具有某种最小的能量。
这一激发的能隙使得超导性得以实现，因为电子的散射等小激发都是被禁止的。
能隙的出现是由于电子之间感知到的吸引力而引起的多体效应。 R.A. Ogg Jr. 首先提出，电子可能就如同由材料的晶格振动耦合的对，这一理论也由超导体中的同位素效应来证实。这个效应显示，重离子的材料（不同核同位素）会具有较低的超导转变温度，这可以用库珀配对理论来解释：重离子对于电子的吸引和移动更为困难，进而导致对的束缚能量减小。
库珀对的理论相当普遍，并不依赖于特定的电子-声子互动。目前，还有凝聚态物理学家基于其他吸引互动提出了配对机制，例如电子-激发子互动或电子-等离子体互动，但至今尚未在任何材料中观察到这些配对互动。
值得注意的是，库珀配对不涉及个别电子配对形成「准玻色子」。相对的，这种配对状态是从能量上得以优化的，电子倾向于进出这些状态。约翰·巴德仁强调：
「配对电子的概念虽然不是完全准确，但能够捕捉到这一现象的本质。」
随着对库珀对的研究深入，或许未来会有新的突破影响我们对超导现象的理解，到底什么样的条件才能最有效地促使库珀对的形成？
