超 导 机 理 的 研 究

1、超 导 机 理 的 研 究论文摘要：目的：尝试探讨超导态的物理模型。方法：根据原子物理及超导相变的实验事实，从理论上提出模型概念。结果：电子结合成库珀电子对;，二级晶格相变形成孪晶导电走廊;。结论：超导态只能出现在低温超导相变的情况下：电子-结合成库珀电子对;，原子核-通过二级晶格相变形成孪晶导电走廊;，使物体的电阻率大大减小，电导率空前提高，呈现出超量级的导电行为。论文关键词：库珀电子对,孪晶结构,超导电性引言众所周知，超导体的研究，已经成为新型材料研究领域中的一个重要方面。迄今为止，超导电性的理论，主要是基于BCS(巴丁-库珀-徐瑞弗)-理论;的。BCS-理论认为：当一些电子的能量差异比晶

2、格振动产生的声子的能量还要小时，电子之间的相互作用，会由于交换声子而呈现为吸引性。当这种吸引作用比相互排斥作用因库仑屏蔽效应产生的更大一些时，库珀电子对;即可形成。亦即：超导相会因为电子-声子的耦合作用而容易形成。BCS-理论，对超导电性的研究工作，具有重要的指导意义。本文依据二级相变的事实，从原子物理的角度，尝试探讨超导态的物理模型。一、库珀电子对;的形成机理：实验已经证实：在超导状态下，导电粒子作为一个导电载流子单元的有效电荷为2e.这个事实说明：电子确实是以配对的形式参与导电的。我们知道，在通常的温度下，原子是处于较高能量状态的，电子-作为导电粒子-是处于单粒子的激发状态的。由于位于晶格

3、格点上的原子核的热振动是立体型的，它对电流通过时的散射阻碍作用是比拟大的，因此，常温下材料的电阻率是比拟大的，其电导率比拟低，有些物体如陶瓷还呈现为绝缘体。单就电子而言，研究说明：自由状态的电子指相对于超导态而言。或称为激发状态的电子，其自旋状态有两种：正向自旋和反向自旋。在通常温度下或通常状态下，由于电子本身的自由能比拟高，电子如同一个陀螺一样在高速地旋转着，它自身的状态是比拟稳定的，此时的库仑排斥作用占主导地位。因此，电子通常是以单个粒子状态参与导电的，而不是处于电子配对状态的。但是，当物体处在极低温度之下TTT-即超导体相变的温度时，情况会发生本质性的变化：由于电子和原子核是处在冬眠式的

4、冷冻状态;-总体的能量状态是很低的，原子自身的自由能是十分微小的，电子只有一局部小而微弱的自旋能。就非超导体而言，它尤其是陶瓷类材料的导电性是很小的，几乎趋近于零。但是，对于本质上具有超导性的材料而言，由于它的晶体结构发生了严重的畸变-二级相变-形成了超导孪晶结构。因而一小局部晶格能量被释放出来其能量单位是声子，,它将以格波的形式影响电子，并将能量传递给电子。当这种能量差异恰好等于两种类型自旋方向的能量差时，低能态的电子将吸收声子的能量,到达与高能态电子相同的能量水平。同时，它的动量也到达同一个量级。当两个电子的角动量方向和自旋方向完全相反时，它们将处于相互吸引状态严格的讲，它们之间的库仑相互

5、排斥作用，远比其相互吸引作用小得多。这样，电子极易形成配对耦合的电子对-库珀电子对;。总之，库珀电子对;，仅仅是在极低温度TT下并且同时发生超导相变二级孪晶相变的情况下，才能形成。这种电子配对状态，是一种低能量的束缚态。换句话说，库珀电子对;，仅仅只能发生在超导物质及超导相变状态下。二、超导孪晶的导电机理：透射电子显微分析TEM已经观察到：在Y-Ba-Cu-O材料中，当发生超导相变时，孪晶结构大量存在(见Fig1)。在通常温度下，这种氧化物陶瓷，整体处在高自由能状态，位于晶格格点处的原子核，具有较高的热振动自由能。在这种情况下，即使施加一个外加电场，其中的电子，一方面，它们自己处在单粒子的激发

6、态它们没有配对行为，其库仑排斥作用居支配地位；另一方面，由于原子核的三维热振动十分剧烈，因此，原子核对电子的散射作用非常强烈，即电流通过时的电阻率比拟大，电导率根本上趋近于零。但是，当温度接近于极低温度TT时，情况那么会完全不同：电子和原子核根本上处于冷冻状态;，库仑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，那么居主导地位，所以，配对电子容易形成。热振动散射的消失和孪晶走廊;或导电隧道;的形成，这是当TT时，在超导体材料中，会发生两方面的变化：其中的电子：由于其自身运动的自由能的降低，而导致其由常温下平行自旋而形成的自身相互之间的排斥作用，比之由低温下相反自旋形成的相互之间的

7、吸引作用，小了许多，因而，它们形成了库珀电子对;；其中的原子核：-由于晶格格点上原子核热振动的散射作用趋于消失由于极低温度下，材料整体上的自由能大大降低。，以及晶体结构的二级超导相变，因此，超导体的孪晶结构，就构成了天然的导电走廊;或隧道;。总之，电子组合成库珀电子对;，晶格形成孪晶走廊;或隧道;，正是由于这两方面的超导相变，使得氧化物陶瓷，-在通常温度下，它表现为绝缘体.-但是，在极低的温度范围内(TT),它会突变为电阻率极低根本上趋近于零的超导体，并且，其电导率是非常高的。根据这种理论，我们可以解释一些超导电方面的相关现象。的显微照片。导体中定向移动时的散射机制。Fig.3电子在超导态下的高度定向运动：库珀电子对;与孪晶走廊;。参考文献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.