0%

BCS理论

费米面附近的电子通过交换声子形成配对状态,这种配对导致了电子能谱中出现能隙,从而解释了超导体的零电阻和完全抗磁性。

在常规超导体中,电子之间的库仑排斥作用被声子介导的吸引作用所克服,导致电子配对形成库珀对。
有效哈密顿量可以表示为:

Heff=12∑k,k′q,σ′,σVkqCk+q,σ†Ck′−q,σ′†Ck′σ′CkσH_{eff}=\frac{1}{2}\sum_{\substack{k,k'\\q,\sigma',\sigma}}V_{kq}C_{k+q,\sigma}^{\dagger}C_{k'-q,\sigma'}^{\dagger}C_{k'\sigma'}C_{k\sigma}

其中,VkqV_{kq}是电子-声子相互作用势,其表达式为:

Vkq=2∣Dq∣2ℏωq(εk−εk+q)2−(ℏωq)2V_{kq}=\frac{2|D_q|^2\hbar\omega_q}{(\varepsilon_k-\varepsilon_{k+q})^2-(\hbar\omega_q)^2}

∣Dq∣2|D_q|^2是电子 - 声子耦合常数,ℏωq\hbar\omega_q是声子能量,εk\varepsilon_k是电子能量。
当 ∣εk−εk+q∣<ℏωq|\varepsilon_k-\varepsilon_{k+q}|<\hbar\omega_q时,VkqV_{kq}是负值,表现为吸引相互作用。
在费米面附近,能量差∣εk−εk+q∣|\varepsilon_k-\varepsilon_{k+q}|较小,由于声学模声子的最大态密度在德拜频率附近,可以将随 ωq\omega_q变化的吸引区近似用费米面附件厚度为2ℏωD2\hbar\omega_D的固定能壳区代替。
得到简化的哈密顿量:

H′=−12V∑q,k1,k2Ck1+q,σ1†Ck2−q,σ2†Ck2,σ2Ck1,σ1H'=-\frac{1}{2}V\sum_{q,k_1,k_2}C_{k_1+q,\sigma_1}^{\dagger}C_{k_2-q,\sigma_2}^{\dagger}C_{k_2,\sigma_2}C_{k_1,\sigma_1}

当总动量 KK为零时,整个球面都参与散射。因此,只需要考虑总波矢为 0 且自旋相反的情况,哈密顿量可以进一步简化为:

H‾=∑kεk(Ck↑†Ck↑+C−k↓†C−k↓)−V∑k,k′Ck↑†C−k′↓†C−k↓Ck↑\overline{\cal H}=\sum_k\varepsilon_k(C_{k\uparrow}^{\dagger}C_{k\uparrow}+C_{-k\downarrow}^{\dagger}C_{-k\downarrow})-V\sum_{k,k'}C_{k\uparrow}^{\dagger}C_{-k'\downarrow}^{\dagger}C_{-k\downarrow}C_{k\uparrow}

εk\varepsilon_k是电子能量与费米能级的差值。
BCS波函数
首先考虑在已填满的费米球外附加两个电子的相互作用。
假设费米球内电子可当自由电子处理,只考虑附加电子之间的相互作用。由于散射,基态为具有不同kk的粒子对的线性叠加,动量相反的两个电子的波函数可以写成:

ψ=∑kakeikr1⋅e−ikr2=∑kakeik(r1−r2)\psi=\sum_ka_ke^{ikr_1}\cdot e^{-ikr_2}=\sum_ka_ke^{ik(r_1-r_2)}

考虑到kFk_F以上两个电子的自旋自由度,我们可以将波函数写为:

ψ=[∑∣k∣>kFakeik(r1−r2)](S↑S↓−S↓S↑)\psi=[\sum_{|k|>k_F}a_ke^{ik(r_1-r_2)}](S_\uparrow S_\downarrow-S_\downarrow S_\uparrow)

可以得到:

E=−2ℏωDexp⁡[−2g(0)V]<0E=-2\hbar\omega_D\exp\left[-\frac{2}{g(0)V}\right]<0

薛定谔方程可写为:

[−ℏ22m(∇12+∇22)+V(r1−r2)]ψ0=Eψ0ψ0=∑kakeik(r1−r2)[-\frac{\hbar^{2}}{2m}(\nabla_{1}^{2}+\nabla_{2}^{2})+V(r_{1}-r_{2})]\psi_{0}=E\psi_{0}\\\psi_{0}=\sum_{k}a_{k}e^{ik(r_{1}-r_{2})}

设r=r1−r2r=r_1-r_2,对上式两边乘以exp(−iqr)exp(-iqr)并其进行全空间积分

∑k(E−ℏk2m)akei(k−q)r=∑kakV(r)ei(k−q)r⇒∑k(E−ℏk2m)ak∫ei(k−q)rdr=∑kak∫V(r)ei(k−q)rdr⇒2π∑k(E−ℏk2m)akδ(k−q)=∑kak∫V(r)ei(k−q)rdr⇒2π(E−2εq)aq=∑pVp∑kak∫ei(k+p−q)rdr\begin{aligned}\sum_{k}(E-\frac{\hbar k^{2}}{m})a_{k}e^{i(k-q)r}&=\sum_{k}a_{k}V(r)e^{i(k-q)r}\\\Rightarrow\sum_{k}(E-\frac{\hbar k^{2}}{m})a_{k}\int e^{i(k-q)r}dr&=\sum_{k}a_{k}\int V(r)e^{i(k-q)r}dr\\\Rightarrow2\pi\sum_{k}(E-\frac{\hbar k^{2}}{m})a_{k}\delta(k-q)&=\sum_{k}a_{k}\int V(r)e^{i(k-q)r}dr\\\Rightarrow2\pi(E-2\varepsilon_{q})a_{q}&=\sum_{p}V_{p}\sum_{k}a_{k}\int e^{i(k+p-q)r}dr\end{aligned}

(V(r)=∑pVpeipr)Vp=1L3∫V(r)e−ipxdr\begin{aligned}(V(r)&=\sum_pV_pe^{ipr})\\V_{p}&=\frac{1}{L^{3}}\int V(r)e^{-ipx}dr\end{aligned}

⇒2π(E−2εq)aq=2π∑pVp∑kakδ(p+k−q)&⇒(E−2εq)aq=∑pVpaq−p\begin{aligned}&\Rightarrow2\pi(E-2\varepsilon_{q})a_{q}=2\pi\sum_{p}V_{p}\sum_{k}a_{k}\delta(p+k-q)\&\\\Rightarrow(E-2\varepsilon_{q})a_{q}=\sum_{p}V_{p}a_{q-p}\end{aligned}

q=k;q−p=k−p=k′q=k;q-p=k-p=k^{\prime}

(E−2εk)ak=∑k′Vk−k′ak′Vk−k′=1L3∫V(r)e−i(k−k′)xdr\begin{aligned}(E-2\varepsilon_{k})a_{k}&=\sum_{k^{\prime}}V_{k-k^{\prime}}a_{k^{\prime}}\\V_{k-k^{\prime}}&=\frac{1}{L^{3}}\int V(r)e^{-i(k-k^{\prime})x}dr\end{aligned}

规定:

Vk,k′={−VkF≤∣k∣,∣k′∣≤km0other casesℏ22m(km2−kF2)≈ℏwcV_{k,k^{\prime}}=\left\{\begin{array}{cc}-V&k_F\leq|k|,|k^{\prime}|\leq k_m\\0&\textbf{other cases}\end{array}\right.\quad\frac{\hbar^2}{2m}(k_m^2-k_F^2)\approx\hbar w_c

只有费米能量附近的两个电子才能有强相互作用。

(E−2εk)ak=∑k′Vk−k′ak′=−V∑kF<∣k′∣<kmak′\begin{aligned}(E-2\varepsilon_{k})a_{k}&=\sum_{k^{\prime}}V_{k-k^{\prime}}a_{k^{\prime}}\\&=-V\sum_{k_{F}<|k^{\prime}|<k_{m}}a_{k^{\prime}}\end{aligned}

ak=V∑ak′(2εk−E)a_k=V\frac{\sum a_{k^{\prime}}}{(2\varepsilon_k-E)}

∑kF<∣k∣<kmak=∑kF<∣k′∣<kmak′∑kF<∣k∣<kmV(2εk−E)⟹1V=∑kF<∣k∣<km1(2εk−E)\begin{aligned}\sum_{k_{F}<|k|<k_{m}}a_{k}&=\sum_{k_{F}<|k^{\prime}|<k_{m}}a_{k^{\prime}}\sum_{k_{F}<|k|<k_{m}}\frac{V}{(2\varepsilon_{k}-E)}\\\Longrightarrow\frac{1}{V}&=\sum_{k_F<|k|<k_m}\frac{1}{(2\varepsilon_k-E)}\end{aligned}

考虑在费米面附近的能级上,状态数近似相等,不同能级间的能级差近似相等。

1V=∑kF<∣k∣<km1(2εk−E)≈∑εF<ε∣k∣<εmZ(EF)1(2εk−E)=N(0)∫EFEF+ℏwcdε2ε−E=N(0)12ln(2EF+2ℏwc−E2EF−E)\begin{aligned}\frac{1}{V}&=\sum_{k_{F}<|k|<k_{m}}\frac{1}{(2\varepsilon_{k}-E)}\\&\approx\sum_{\varepsilon_{F}<\varepsilon_{|k|}<\varepsilon_{m}}Z(E_{F})\frac{1}{(2\varepsilon_{k}-E)}\\&=N(0)\int_{E_{F}}^{E_{F}+\hbar w_{c}}\frac{d\varepsilon}{2\varepsilon-E}\\&=N(0)\frac{1}{2}\mathrm{ln}(\frac{2E_{F}+2\hbar w_{c}-E}{2E_{F}-E})\end{aligned}

(N(0)=Z(0)δε)(N(0)=\frac{Z(0)}{\delta\varepsilon}),得到:

exp⁡(2N(0)V)=1+2ℏwc2EF−E\exp({\frac{2}{N(0)V}})=1+\frac{2\hbar w_{c}}{2E_{F}-E}

N(0)V≪1N(0)V\mathrm{\ll1}

exp⁡(2N(0)V)≈1+2ℏwc2EF−E\exp({\frac{2}{N(0)V}})\approx1+\frac{2\hbar w_{c}}{2E_{F}-E}

E≈2EF−2ℏwcexp⁡(−2N(0)V)E\approx2E_{F}-2\hbar w_{c}\exp(-\frac{2}{N(0)V})

因此存在两个电子的束缚态,其能量低于2EF2E_{F}。
无论吸引力有多弱,电子系统的总能量都将低于电子气体的一个量级。势能的降低将使电子重组为低能状态,也就是超导状态。
BCS基态能量
对于声子介导的散射,ψ1\psi_1:(k↑,−k↓)(k↑, -k↓)占据,(k′↑,−k′↓)(k'↑, -k'↓) 空;ψ2\psi_2:(k↑,−k↓)(k↑, -k↓) 空,(k′↑,−k′↓)(k'↑, -k'↓)占据。
定义电子对(k↑,−k↓)(k↑, -k↓)为空态的概率为∣uk∣2|u_k|^2,为占据态的概率为∣vk∣2|v_k|^2,∣uk∣2+∣vk∣2=1|u_k|^2+|v_k|^2=1。
电子的动能相对于费米能级( EF=ℏ2kF22mE_F = \frac{\hbar^2 k_F^2}{2m})的差值为:

εk=(ℏ2k22m−ℏ2kF22m)\varepsilon_k=(\frac{\hbar^2k^2}{2m}-\frac{\hbar^2k_F^2}{2m})

总动能为

K=2∑kε(k)vk2K=2\sum_k\varepsilon(k)v_k^2

吸引势能为

P=−∑k,k′Vvkuk′vk′ukP=-\sum_{k,k^{\prime}}Vv_ku_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}u_k

成对电子产生的总能量为

EBCS=∑k2ε(k)vk2+∑k,k′−Vvkuk′vk′ukE_{BCS}=\sum_{k}2\varepsilon(k)v_{k}^{2}+\sum_{k,k^{\prime}}-Vv_{k}u_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}u_{k}

将上述方程的导数等于0

2ε(k)vk+∑k′−Vuk′vk′∂(vkuk)∂vk=02\varepsilon(k)v_k+\sum_{k^{\prime}}-Vu_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}\frac{\partial(v_ku_k)}{\partial v_k}=0

∂(vkuk)∂vk=∂(vk(1−vk2)12)∂vk=1−2vk21−vk2\frac{\partial(v_ku_k)}{\partial v_k}=\frac{\partial(v_k(1-v_k^2)^{\frac{1}{2}})}{\partial v_k}=\frac{1-2v_k^2}{\sqrt{1-v_k^2}}

2ε(k)vk+∑k′−Vuk′vk′1−2vk21−vk2=0⟹2ε(k)vk+Δ(1−2vk2)1−vk2=02\varepsilon(k)v_{k}+\sum_{k^{\prime}}-Vu_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}\frac{1-2v_{k}^{2}}{\sqrt{1-v_{k}^{2}}}=0\Longrightarrow2\varepsilon(k)v_{k}+\frac{\Delta(1-2v_{k}^{2})}{\sqrt{1-v_{k}^{2}}}=0

令

Δ(k)=∑k′−Vuk′vk′2ε(k)vk+Δ(1−2vk2)1−vk2=0\Delta(k)=\sum_{k^{\prime}}-Vu_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}\\2\varepsilon(k)v_{k}+\frac{\Delta(1-2v_{k}^{2})}{\sqrt{1-v_{k}^{2}}}=0

占据概率:

vk2=12[1−ε(k)ε2(k)+Δ2]uk2=12[1+ε(k)ε2(k)+Δ2]\begin{gathered}v_k^2=\frac{1}{2}[1-\frac{\varepsilon(k)}{\sqrt{\varepsilon^{2}(k)+\Delta^{2}}}]\\u_k^2=\frac{1}{2}[1+\frac{\varepsilon(k)}{\sqrt{\varepsilon^{2}(k)+\Delta^{2}}}]\end{gathered}

BCS基态能隙方程

Δ(k)=∑k′−Vuk′vk′=V2∑k′Δ(k′)ε2(k)+Δ(k′)2\Delta(k)=\sum_{k^{\prime}}-Vu_{k^{\prime}}v_{k^{\prime}}=\frac{V}{2}\sum_{k^{\prime}}\frac{\Delta(k^{\prime})}{\sqrt{\varepsilon^2(k)+\Delta(k^{\prime})^2}}