BCSTheorie

Die BCS-Theorie ist ein theoretischer Rahmen zur Erklärung der Supraleitung in vielen Metallen, der 1957 von John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer entwickelt wurde. Sie beschreibt Supraleitung als Folge eines makroskopischen Quantenzustands von Cooper-Paaren, die sich aus zwei Elektronen mit gegenüberliegenden Impulsen und Spins bilden. Die Elektronen ziehen sich indirekt über Gittervibrationen (Phononen) an, wodurch eine effektive Kopplung entsteht, die Elektronen nahe der Fermi-Energie zu Paaren bindet und sie zu einem kohärenten Gesamtzustand verdichtet.

Durch die Bildung der Cooper-Paare öffnet sich eine Energielücke Δ im Spektrum der elektronischen Zustände. Der Paarsystem kondensiert unterhalb einer charakteristischen Temperatur Tc und führt zu Nullwiderstand sowie zum Meissner-Effekt. Im schwachen Kopplungsregime gilt grob Δ ≈ 1,76 kB Tc. Die Theorie erklärt außerdem den Sprung der spezifischen Wärme bei Tc und die Natur der quasipartikel-Excitationsspektren, die Energie benötigen, um das Gap zu überwinden.

Belege und Grenzen: Der Isotopieffekt, Tunneling-Spektroskopie und das veränderte spezifische Wärmeverhalten lieferten zentrale Belege für das BCS-Bild. Die Theorie bildet die Grundlage für Phasen Kohärenzphänomene wie den Josephson-Effekt und erklärt die Supraleitung in vielen konventionellen Materialien wie Quecksilber, Blei und Niob. Bei Hochtemperatur-Supraleitern (Cuprate, ironbasierte) reichen phononvermittelte Kopplungen oft nicht aus; hier werden zusätzliche Mechanismen diskutiert. Erweiterungen wie die Migdal-Eliashberg-Theorie berücksichtigen stärkere Kopplungen und Materialabhängigkeiten.