筑波大学量子凝聚态物理系物理学家、小泉裕康（KOIZUMIHiroyasu）教授在最近的《超导与新型磁性》杂志上发表论文中，提出了一种新型的超导理论，该理论模型有助于比当前理论更好地解释新的超导实验结果。
科技新闻站点赛特科技日报（ScitechDaily）誉之为：一种解释超导的“超级新理论”（ASuperNewTheorytoExplainSuperconductivity）。
论文题为：“来自多体波函数的贝利联络的超导性：重新审视Andreev-Saint-James反射和约瑟夫森效应”。这个标题看起来有点冗长复杂，简单来说，这一新的超导理论模型基于称为“贝利联络”（Berryconnection）的数学工具，更好地解释了过去在超导的相变量起着至关重要的作用的AndreevSaint-James（ASJ）反射现象和约瑟夫森效应，从而有助于比当前理论更好地解释新的实验结果。这项工作可能使未来的电网能够无损耗地传输能量。
超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象。超导体是一种迷人的材料，在一般的环境条件下可能看起来不起眼，但当冷却到非常低的温度时，却允许电流以零电阻流动。超导有几个明显的应用，例如无损能量传输，但该过程背后的物理原理仍不清楚。
自年发现超导现象的很长一段时间内，物理学家认为超导的上限温度不会超过30K。后来发现的超导临界温度高于30K的都被称为高温超导体。年，科学家发现了合金超导体硅化钒。年1月，德国科学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，开启了铜基高温超导体的时代，从而获得了年诺贝尔物理学奖。
年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国科学家赵忠贤，相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到K。从年－年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近K。大约年，铊－汞－铜－钡－钙－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到K。
年，东京工业大学的细野秀雄与其合作者发现了新的一类铁基超导体LaO1-xFxFeAs(超导临界温度26K)。随后，铁基超导体的超导临界温度很快被提高到55K。年，清华大学的薛其坤及其合作者发现生长在SrTiO3衬底上的单原子层FeSe具有高于77K的超导临界温度，这也是目前铁基超导体的最高超导临界温度记录。
铜基超导体和铁基超导体都是非传统超导体，即是非BCS超导体，电子声子耦合不能解释这两个体系的超导现象，一直没有统一的理论来解释这两类非传统超导体。
其中之一是对于I型超导体H-T平面中正常和超导相之间的可逆相变。一系列工作表明在有磁场的情况下超导-正常状态转变发生而没有能量耗散，并且最先进的量热法表明99.99%的超电流在没有电流的情况下停止发生不可逆碰撞的载波。
关于从正常到超导的转变的标准理论是称为Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论。在这个模型中，只要热激发保持足够小，粒子就可以形成“库珀对”，它们一起行进并抵抗散射。然而，BCS模型并不能充分解释所有类型的超导体，这限制了创造在室温下工作的更坚固的超导材料的能力。
阐明铜酸盐超导性的努力促使从基础层面重新审视BCS超导性理论。然后，注意到有两个可靠的实验事实表明需要对BCS标准理论进行根本性修订。
其中之一是对于I型超导体H-T平面中正常和超导相之间的可逆相变。一系列研究表明在有磁场的情况下超导-正常状态转变发生而没有能量耗散，并且最先进的量热法表明99.99%的超电流在没有电流的情况下停止发生不可逆碰撞的载波。
然而，这种转变在BCS标准理论中是不可能的；根据BCS理论，成对电子无耗散流动，而单电子有耗散流动，因此，电子对在磁场中流动产生的超电流在超导到正相转变过程中不可避免地产生焦耳热，大量破碎的对随着耗散流动。
另一个是伦敦时刻的电子质量。在旋转的超导体内部，表面区域产生的超电流会产生磁场。伦敦矩是由这种超电流产生的磁矩。伦敦矩已经使用不同的材料进行了多次测量，从传统的超导体到高Tc铜酸盐和重费米子超导体。结果总是表明，如果采用电子电荷q=-e，则质量m是自由电子质量me。然而，BCS理论预测它是一个有效质量m*，与实验结果相矛盾。
上述两种差异的解决是使用一种新的超流体理论来解决，该理论将超流体归因于多体波函数中非平凡贝利连接的出现。在该理论中，超电流被解释为由非平凡贝利连接产生的集体模式产生的拓扑保护电流。
该新理论的一个显着特点是它是以粒子数守恒的方式表述。在BCS标准理论中，使用粒子数非守恒状态向量，并且使用它产生解释迈斯纳效应和超电流产生的相位变量。BCS理论中出现的Bogoliubov准粒子是电子和空穴的叠加，这只能在粒子数不守恒的形式主义中有意义。在该新理论中，Bogoliubov准粒子被描述电子在集体模式和单粒子模式之间转移并保持粒子数固定的激发所取代。
对于AndreevSaint-James(ASJ)反射和约瑟夫森效应现象，其中BCS超导理论的相变量起着至关重要的作用，使用粒子数不守恒形式主义来解释。该研究的一个目的是使用新理论的粒子数守恒形式主义提供解释，其中相变量被识别为贝利相。坐标是同一波函数参数的电子实际上通过它们共享的波函数产生的规范场相互作用。该规范场计算为贝利连接。它是一个U(1)规范场，就像电磁学的U(1)规范场一样。因此，系统中有两个U(1)规范场。
数学工具
贝利联络，或称贝利连接（Berryconnection），和贝利曲率（Berrycurvature）是相关概念，分别视为与贝利相（Berryphase）或称几何相（Geometricphase）相关的局部规范势和规范场。MichaelBerry在年发表的一篇论文中引入了这些概念，强调几何相位如何提供强大的统一概念。
在量子力学中，贝利相出现在循环绝热演化中。量子绝热定理适用于一个系统，其哈密顿量取决于一个向量参数随时间的变化.如果第n个特征值沿路径的任何地方都保持非退化并且随时间的变化足够慢，那么系统最初处于本征态将保持在瞬时本征状态哈密顿量，直到一个阶段，贯穿整个过程。
在量子力学中，贝利相出现在循环绝热演化中。量子绝热定理适用于其哈密顿量取决于（向量）参数随时间变化。如果第n个特征值在路径上的任何地方都保持非退化并且随时间t的变化足够慢，那么系统最初处于的本征态将保持在一个哈密顿量瞬时本征态，直到一个相位贯穿整个过程。
该研究重新讨论了Andreev-Saint-James反射和修订了约瑟夫森效应。当两个超导体层被由普通金属或绝缘体制成的薄屏障隔开时，就会形成约瑟夫森结。尽管广泛用于高精度磁场探测器和量子计算机，约瑟夫森结也不太适合BCS理论。
小泉教授表示，“在新理论中，电子对的作用是稳定的贝利连接，而不是自身成为超导性的原因，超电流是由于空间扭曲而产生的单个和成对电子的流动。由贝利连接引起的电子传播，”这项研究可能会导致量子计算和能量守恒的进一步认知。
论文总结说：
在超导的标准理论中，超导的起源是电子对。在该理论中，磁场感应电流是通过对矢量电位的线性响应来计算的，超电流被认为是成对电子的无耗散流动，而单电子则有耗散流动。
超电流描述存在以下严重问题：1）它与在I型超导体中观察到的磁场中可逆超导-法向相变相矛盾；2）磁场感应超电流的规范不变性需要破坏全局规范不变性，或粒子数不守恒；3）交流约瑟夫森效应的解释是基于与真实实验不同的边界条件；4)测得的伦敦矩表明超导载流子的质量是自由电子质量。
在该新理论中使用粒子数守恒状态计算。它的非零是由于贝利连接的存在产生了数字变化的运算符。从新理论的角度来看，标准理论似乎通过采用粒子数非守恒近似来考虑贝利连接带来的数量变化算子的存在。这种近似适用于某些目的。但是，这也造成了严重的矛盾。
新理论与标准理论有很大不同，可以用它来阐明铜酸盐超导性。
参考：
转载请注明地址:http://www.1xbbk.net/jwbjj/4092.html
