超 導(dǎo) 機(jī) 理 的 研 究

1、超 導(dǎo) 機(jī) 理 的 研 究論文摘要：目的：嘗試探討超導(dǎo)態(tài)的物理模型。方法：根據(jù)原子物理及超導(dǎo)相變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從理論上提出模型概念。結(jié)果：電子結(jié)合成庫(kù)珀電子對(duì);，二級(jí)晶格相變形成孿晶導(dǎo)電走廊;。結(jié)論：超導(dǎo)態(tài)只能出現(xiàn)在低溫超導(dǎo)相變的情況下：電子-結(jié)合成庫(kù)珀電子對(duì);，原子核-通過(guò)二級(jí)晶格相變形成孿晶導(dǎo)電走廊;，使物體的電阻率大大減小，電導(dǎo)率空前提高，呈現(xiàn)出超量級(jí)的導(dǎo)電行為。論文關(guān)鍵詞：庫(kù)珀電子對(duì),孿晶結(jié)構(gòu),超導(dǎo)電性引言眾所周知，超導(dǎo)體的研究，已經(jīng)成為新型材料研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要方面。迄今為止，超導(dǎo)電性的理論，主要是基于BCS(巴丁-庫(kù)珀-徐瑞弗)-理論;的。BCS-理論認(rèn)為：當(dāng)一些電子的能量差異比晶

2、格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子的能量還要小時(shí)，電子之間的相互作用，會(huì)由于交換聲子而呈現(xiàn)為吸引性。當(dāng)這種吸引作用比相互排斥作用因庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的更大一些時(shí)，庫(kù)珀電子對(duì);即可形成。亦即：超導(dǎo)相會(huì)因?yàn)殡娮?聲子的耦合作用而容易形成。BCS-理論，對(duì)超導(dǎo)電性的研究工作，具有重要的指導(dǎo)意義。本文依據(jù)二級(jí)相變的事實(shí)，從原子物理的角度，嘗試探討超導(dǎo)態(tài)的物理模型。一、庫(kù)珀電子對(duì);的形成機(jī)理：實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)：在超導(dǎo)狀態(tài)下，導(dǎo)電粒子作為一個(gè)導(dǎo)電載流子單元的有效電荷為2e.這個(gè)事實(shí)說(shuō)明：電子確實(shí)是以配對(duì)的形式參與導(dǎo)電的。我們知道，在通常的溫度下，原子是處于較高能量狀態(tài)的，電子-作為導(dǎo)電粒子-是處于單粒子的激發(fā)狀態(tài)的。由于位于晶格

3、格點(diǎn)上的原子核的熱振動(dòng)是立體型的，它對(duì)電流通過(guò)時(shí)的散射阻礙作用是比擬大的，因此，常溫下材料的電阻率是比擬大的，其電導(dǎo)率比擬低，有些物體如陶瓷還呈現(xiàn)為絕緣體。單就電子而言，研究說(shuō)明：自由狀態(tài)的電子指相對(duì)于超導(dǎo)態(tài)而言?；蚍Q(chēng)為激發(fā)狀態(tài)的電子，其自旋狀態(tài)有兩種：正向自旋和反向自旋。在通常溫度下或通常狀態(tài)下，由于電子本身的自由能比擬高，電子如同一個(gè)陀螺一樣在高速地旋轉(zhuǎn)著，它自身的狀態(tài)是比擬穩(wěn)定的，此時(shí)的庫(kù)侖排斥作用占主導(dǎo)地位。因此，電子通常是以單個(gè)粒子狀態(tài)參與導(dǎo)電的，而不是處于電子配對(duì)狀態(tài)的。但是，當(dāng)物體處在極低溫度之下TTT-即超導(dǎo)體相變的溫度時(shí)，情況會(huì)發(fā)生本質(zhì)性的變化：由于電子和原子核是處在冬眠式的

4、冷凍狀態(tài);-總體的能量狀態(tài)是很低的，原子自身的自由能是十分微小的，電子只有一局部小而微弱的自旋能。就非超導(dǎo)體而言，它尤其是陶瓷類(lèi)材料的導(dǎo)電性是很小的，幾乎趨近于零。但是，對(duì)于本質(zhì)上具有超導(dǎo)性的材料而言，由于它的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的畸變-二級(jí)相變-形成了超導(dǎo)孿晶結(jié)構(gòu)。因而一小局部晶格能量被釋放出來(lái)其能量單位是聲子，,它將以格波的形式影響電子，并將能量傳遞給電子。當(dāng)這種能量差異恰好等于兩種類(lèi)型自旋方向的能量差時(shí)，低能態(tài)的電子將吸收聲子的能量,到達(dá)與高能態(tài)電子相同的能量水平。同時(shí)，它的動(dòng)量也到達(dá)同一個(gè)量級(jí)。當(dāng)兩個(gè)電子的角動(dòng)量方向和自旋方向完全相反時(shí)，它們將處于相互吸引狀態(tài)嚴(yán)格的講，它們之間的庫(kù)侖相互

5、排斥作用，遠(yuǎn)比其相互吸引作用小得多。這樣，電子極易形成配對(duì)耦合的電子對(duì)-庫(kù)珀電子對(duì);?？傊瑤?kù)珀電子對(duì);，僅僅是在極低溫度TT下并且同時(shí)發(fā)生超導(dǎo)相變二級(jí)孿晶相變的情況下，才能形成。這種電子配對(duì)狀態(tài)，是一種低能量的束縛態(tài)。換句話說(shuō)，庫(kù)珀電子對(duì);，僅僅只能發(fā)生在超導(dǎo)物質(zhì)及超導(dǎo)相變狀態(tài)下。二、超導(dǎo)孿晶的導(dǎo)電機(jī)理：透射電子顯微分析TEM已經(jīng)觀察到：在Y-Ba-Cu-O材料中，當(dāng)發(fā)生超導(dǎo)相變時(shí)，孿晶結(jié)構(gòu)大量存在(見(jiàn)Fig1)。在通常溫度下，這種氧化物陶瓷，整體處在高自由能狀態(tài)，位于晶格格點(diǎn)處的原子核，具有較高的熱振動(dòng)自由能。在這種情況下，即使施加一個(gè)外加電場(chǎng)，其中的電子，一方面，它們自己處在單粒子的激發(fā)

6、態(tài)它們沒(méi)有配對(duì)行為，其庫(kù)侖排斥作用居支配地位；另一方面，由于原子核的三維熱振動(dòng)十分劇烈，因此，原子核對(duì)電子的散射作用非常強(qiáng)烈，即電流通過(guò)時(shí)的電阻率比擬大，電導(dǎo)率根本上趨近于零。但是，當(dāng)溫度接近于極低溫度TT時(shí)，情況那么會(huì)完全不同：電子和原子核根本上處于冷凍狀態(tài);，庫(kù)侖排斥作用居次要地位，而由相反的自旋方式所形成的相互吸引作用，那么居主導(dǎo)地位，所以，配對(duì)電子容易形成。熱振動(dòng)散射的消失和孿晶走廊;或?qū)щ娝淼?的形成，這是當(dāng)TT時(shí)，在超導(dǎo)體材料中，會(huì)發(fā)生兩方面的變化：其中的電子：由于其自身運(yùn)動(dòng)的自由能的降低，而導(dǎo)致其由常溫下平行自旋而形成的自身相互之間的排斥作用，比之由低溫下相反自旋形成的相互之間的

7、吸引作用，小了許多，因而，它們形成了庫(kù)珀電子對(duì);；其中的原子核：-由于晶格格點(diǎn)上原子核熱振動(dòng)的散射作用趨于消失由于極低溫度下，材料整體上的自由能大大降低。，以及晶體結(jié)構(gòu)的二級(jí)超導(dǎo)相變，因此，超導(dǎo)體的孿晶結(jié)構(gòu)，就構(gòu)成了天然的導(dǎo)電走廊;或隧道;。總之，電子組合成庫(kù)珀電子對(duì);，晶格形成孿晶走廊;或隧道;，正是由于這兩方面的超導(dǎo)相變，使得氧化物陶瓷，-在通常溫度下，它表現(xiàn)為絕緣體.-但是，在極低的溫度范圍內(nèi)(TT),它會(huì)突變?yōu)殡娮杪蕵O低根本上趨近于零的超導(dǎo)體，并且，其電導(dǎo)率是非常高的。根據(jù)這種理論，我們可以解釋一些超導(dǎo)電方面的相關(guān)現(xiàn)象。的顯微照片。導(dǎo)體中定向移動(dòng)時(shí)的散射機(jī)制。Fig.3電子在超導(dǎo)態(tài)下的高度定向運(yùn)動(dòng)：庫(kù)珀電子對(duì);與孿晶走廊;。參考文獻(xiàn)1 The superconductivity theory. Translated by ZHANGZu Shen ect., 1961, Peking: Science Press.2 The exploration of high-temperature superconductivity theory. Chinese Academy of Sciences, CAO Xiao Ye, The lights daily, 4, 25.