BCS理論

BCS理論：超伝導現象の微視的解明

1911年、カマリン・オンネスによる超伝導現象の発見は、物理学に新たな謎を投げかけました。その後、多くの研究者によって実験的・理論的研究が進められましたが、超伝導のメカニズムは長らく不明でした。転機となったのは、1950年代における同位体効果の発見です。超伝導体の同位体組成によって転移温度が変化するこの現象から、格子振動（フォノン）が超伝導に重要な役割を果たすことが示唆されました。

この着想を元に、ジョン・バーディーンを中心とした研究グループが本格的な理論構築に着手します。バーディーンの指導の下、レオン・クーパーはフォノンを媒介とした電子間の引力によって、電子対がエネルギー的に安定化することを発見しました。そして、ジョン・ロバート・シュリーファーが超伝導状態を記述する波動関数を導出し、理論の完成に大きく貢献しました。

1957年、彼らの研究成果は集大成され、BCS理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory）として発表されました。BCS理論は、電子がフォノンを交換することで互いに引き合い、スピンが反対向きで全運動量がゼロのクーパー対を形成することを示しています。これらのクーパー対は、ボース粒子のように振る舞い、ボース・アインシュタイン凝縮を起こして超伝導状態となります。この状態では、電子は集団的な運動を行い、電気抵抗ゼロの状態を実現します。

BCS理論の中心的な概念は、以下の通りです。

クーパー対: 電子対。スピンが反対向きで運動量がゼロ。フォノンを介した引力によって形成される。
フォノン: 格子振動。電子間の媒介役となり、引力を生み出す。
ボース・アインシュタイン凝縮: ボース粒子が絶対零度近傍で最低エネルギー状態に凝縮する現象。クーパー対はボース粒子として振る舞うため、この現象により超伝導状態が実現する。
エネルギーギャップ: 超伝導状態では、励起にエネルギーギャップが存在する。このギャップにより、超伝導状態は外部からの擾乱を受けにくくなる。

BCS理論は、超伝導体の転移温度、比熱、磁化率などの物性をうまく説明し、超伝導現象の理解に大きな進歩をもたらしました。バーディーン、クーパー、シュリーファーの3人は、この業績により1972年にノーベル物理学賞を受賞しました。

しかしながら、BCS理論は低温超伝導を主に説明するものであり、液体窒素温度以上で超伝導を示す高温超伝導現象については、完全な説明を与えていません。高温超伝導では、電子間の引力を引き起こす機構として、フォノン以外にもスピンのゆらぎなどが考えられており、現在も盛んに研究が進められています。

BCS理論は、現代物理学における重要な理論の一つであり、その発展は基礎物理学のみならず、超伝導を利用した様々な技術の発展にも大きく貢献しています。磁気浮上式鉄道や核磁気共鳴装置(MRI)など、私たちの生活に密着した技術にもBCS理論の成果が活かされています。

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