Théorie microscopique de la supraconductivité conventionnelle dans laquelle une interaction attractive effective entre électrons (généralement médiée par des phonons) conduit à la formation de paires de Cooper, à un condensat présentant une lacune dans le spectre d'excitations mono-particules et à la résistance nulle sous une température critique.

Principe

Une instabilité de la mer de Fermi vers l'appariement survient lorsqu'une attraction effective lie des états électroniques temps-inversés en paires de Cooper ; ces paires se condensent en un état quantique macroscopique cohérent décrit par un paramètre d'ordre et ouvrent une ouverture d'énergie pour les excitations mono-particules.

Démonstration

Dans un métal en couplage faible, l'introduction d'une interaction attractive médiée par des phonons et la résolution de l'équation de gap BCS donnent une lacune d'énergie qui s'annule à une température critique Tc et fournit la dépendance en température caractéristique du gap et des signatures thermodynamiques (p. ex. saut de la capacité calorifique).

Mauvaise application

Appliquer la théorie BCS brute à des matériaux où l'appariement est dû à des mécanismes non-phononiques, à des supraconducteurs en fort couplage ou à faible densité de porteurs sans corrections, ou supposer que BCS décrit des symétries d'ordre non conventionnelles sans adapter le noyau d'interaction.

Conséquence

Utilisée correctement, BCS explique l'existence d'un gap d'énergie, la phénoménologie de l'effet Meissner via la cohérence de phase, l'échelle de la température critique en couplage faible, et fournit une description en quasi-particules (excitations de Bogoliubov) qui prédit le spectre de tunnellisation et le comportement thermodynamique pour des supraconducteurs conventionnels.

Inversion

Décrire la supraconductivité uniquement comme un conducteur parfait classique ou attribuer la résistance nulle à l'absence de dispersions sans invoquer l'appariement et la cohérence de phase ; ou traiter la supraconductivité uniquement via des paramètres phénoménologiques de Ginzburg–Landau sans perspective microscopique d'appariement.

Limite

Valable pour des supraconducteurs conventionnels à couplage phononique dans le régime de couplage faible à modéré et où l'état normal est raisonnablement décrit par une mer de Fermi de type liquide de Fermi ; elle ne s'applique pas directement aux supraconducteurs fortement corrélés, à haute Tc ou non Fermi-liquide sans modifications.

Tension sémantique

Tension entre BCS en tant que théorie microscopique de l'appariement en couplage faible et des approches traitant la supraconductivité comme émergente de fortes corrélations, fluctuations de spin ou autres mécanismes non phononiques ; tension également avec des descriptions purement phénoménologiques omettant le mécanisme microscopique.

Synthèse

La théorie BCS relie une interaction attractive microscopique à l'ordre supraconducteur macroscopique en montrant comment des électrons appariés se condensent pour former un état gappé et cohérent en phase ; elle constitue le modèle microscopique de référence pour les supraconducteurs conventionnels et doit être étendue lorsque les interactions, la symétrie ou la physique de l'état normal s'écartent de ses hypothèses.