心我在人就在
從兩個心心相印的人墜入愛河，到以相同的淨電荷相互排斥的亞原子粒子，人們相信"異性吸引和同性排斥"具有普遍意義。然而，也有超出這一法則列外的現象，如超導性。
- 圖注：在超導體上懸浮的磁鐵。
超導性——導體以零電阻導電的一種狀態——被認為是兩個電子（負電荷亞原子粒子）粘接的結果，而不是相互排斥的結果。這種鍵在極低的絕對溫度下出現，結合電子共同稱為庫珀對。
超導
如前所述，超導是導體失去所有電阻的物理狀態。1911年，物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究汞電阻的溫度依賴性時發現這一現象。在4.2 K（-268.95°c）冷卻汞時，他注意到所有的電阻突然消失。在昂內斯發現超導性之後，在隨後的幾年裡，研究人員發現了在極端絕對溫度下反映同樣行為的其他元素和合金。
- 圖注：物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）。
電阻，你可能知道，是阻礙電子（電流）流動由晶格的振動運動。電阻值取決於多種因素，包括幾何形狀、成分和溫度。在這三影響因素中，導體阻值溫度的升高而升高，隨著溫度降低而減小，而半導體具有負溫度係數，並且不遵循這一趨勢。
隨著導電材料溫度的升高，晶格原子開始更劇烈地振動，進一步阻礙電子的流動。另一方面，當導體冷卻時，原子振動的強度較小，因此對電流的電阻較低。
- 圖注：電阻 、常規導體與超導體的溫度之間的關係。
然而，電阻和溫度之間的線性關係只維持到一個特定值，之後所有電阻突然消失，併發生向超導狀態的過渡。從常規導體到超導體的轉換髮生的溫度稱為臨界溫度 （Tc）。大多數元件的臨界溫度介於0K和30K(-273.15°C至-243.15°C)之間，但也發現了一些臨界溫度超過 35K(-238.15°C)的材料。
超導體表現出的另一個奇怪的現象是外部磁場從內部部分排出，這通常稱為邁斯納效應。這種驅逐是由於超導體內部的表面電流所產生的相等和相反的磁場。該磁場抵消了施加的磁場，使超導體表現出完美的磁性。最好通過在超導體上放置磁鐵來證明這一點；兩個磁場相互對立，導致磁體懸浮在超導體上方。
此外，在接近臨界溫度時，觀察到超導材料的熱容量突然峰值。
電阻的突然消失與線性進展相反，外部磁場的排除和熱容量的增加表明，有更多的力在起作用——甚至可能是物質的相變。
庫珀對 + BCS 理論
世界不得不等待相當長一段時間，科學家才能解開超導體的奧秘。1957年，物理學家約翰·巴丁、萊昂·庫珀和約翰·羅伯特·施裡弗提出了第一個解釋超導體起源的微觀理論。該理論指出，超導性產生於多個電子對的形成和凝結，稱為庫珀對。
電子可以排斥其他電子，但它們也被認為對構成晶格（原子、離子或分子的排列）的正離子施加有吸引力的力。根據BCS理論，這種引力使正離子更接近通過的電子，從而產生一個較高的正電荷密度區域。隨著電子的移動，這個正電荷密度較高的區域也是如此。該地區，反過來，吸引另一個電子與第一個相反的自旋。因此，這兩個電子變得間接連接，並形成一個庫珀對，這要歸功於它們的晶格。
電子晶格相互作用的可能性也由同位素效應支持，幾年前在超導體中就見證了同位素效應。由兩個獨立研究小組獲得的結果確認，使用同一超導元素的不同同位素被認為會改變臨界溫度。較重的離子被認為更難吸引/排斥，因此臨界溫度與同位素的質量成反比。
成對電子實際上並不彼此接近，而是成對了幾百納米。這允許多個庫珀對佔據相同的空間，重疊，並形成一個集體冷凝聚。此外，結合能量相當低，為10^(-3) eV。
庫珀對的冷凝
在現實中，庫珀對的形成及其對超導性的影響是一個複雜的量子現象，需要量子力學知識來充分理解。
臨界溫度、臨界磁場（超導體停止在臨界磁場之外滲出磁場）以及接近臨界溫度時熱容量的增加表明存在能量缺口導電和超導狀態之間。在半導體中，價帶和傳導帶之間存在類似的能量間隙（稱為帶隙），但在超導體中，能量間隙表示打破庫珀對和形成正常電子所需的能量量。能量差距也暗示著相位的變化，表明所有電子必須佔據相同的能量級。
電子是鐵氧體，即具有半整數自旋的粒子，不能凝結成相同的能量級。然而，當兩個電子連接成一個庫珀對時，它們相反的自旋值被認為會相互平衡/抵消，從而產生對的淨整數自旋。在超流體氦中，以前也出現過類似的能量差距，儘管它由玻色子（具有整數自旋值的粒子）組成。因此，庫珀對被認為像複合玻色子一樣，因此可以凝結到相同的量子狀態。
在低絕對溫度下，可用的熱能不足以打破庫珀對，從而防止導致電阻率的電子-晶格相互作用。此外，由於庫珀對重疊，它們變得糾纏，並充當一大群攜帶電流的粒子。
因此，由於電子與晶格的相互作用，以及它們凝結成複合玻色子，庫珀對的形成被認為是超導性的原因。
最後一句話
約翰·巴丁、萊昂·庫珀和約翰·羅伯特·施裡弗三人因提出BCS理論，從而幫助解釋超導體的行為而獲得諾貝爾物理學獎。然而，在BCS理論提出幾十年後，發現某些材料在30K以上的溫度下表現出超導性（2型超導體，也稱為高溫超導體）。這種行為不能使用BBC完全解釋，仍然是一個謎。
目前，由於1型超導體必須達到的極端臨界溫度，以及對2型超導體工作方式的瞭解有限，超導性的應用受到限制。話雖如此，超導在MRI和核磁共振機、粒子加速器、SQUIDS和磁懸浮列車等令人興奮的現代應用中找到了用武之地！
