回覆列表
-
1 # 飛賊克斯和康德馬特
-
2 # 軒中日記
首先,你這個問題涉及到超導,這裡面有一些微妙的地方。超導分為低溫超導與高溫超導,低溫超導的理論一般採用BCS理論,有一個基於庫珀電子對的解釋,而高溫超導是沒有正常的理論解釋的,目前發現各種奇怪的高溫超導,比如愛喝酒的高溫超導等等,這些都很奇怪,沒有理論解釋。所以,我現在假設你提到的問題是涉及到低溫超導。
在低溫超導中,超導現象的發生,被認為與庫珀電子對的存在有關。這庫珀電子對就好像一對一對的情侶,他們在一起的時候,能產生很奇妙的東西——它們自己是費米子,組合在一起組成一個束縛態的時候,就可以看成是一個玻色子,性質就大變了。這就好像兩個單身狗組成了家庭,有了很多新的本事。
1956年,物理學家庫珀證明:在一些金屬的費米麵附近的兩個電子,可以形成束縛態──庫珀電子對。這為低溫超導的理論發展奠定了很少的基礎。到了1957年,也就是我們華人科學家李政道與楊振寧得諾貝爾物理學獎的那一年,偉大的物理學家巴丁與庫珀和施裡弗一起建立了BCS理論。這個理論解釋在低溫情況下某些金屬的超導性。
因此,當溫度高於超導溫度的時候,電子的熱運動加大,這很明顯會破壞庫珀電子對的穩定性。這就好像在戰爭年代,很多家庭被摧毀,夫妻本是同林鳥,大難臨頭各自飛,講的就是這個事情。在物理學中,庫珀電子對就好像是家庭,本身就不是很穩定的,外界溫度升高,就好像發生了戰爭。
超導狀態的形成,來自於固體材料中的電子發生兩兩配對。所謂配對,即兩個電子之間產生束縛作用,傳統的BCS理論中,這種束縛作用來自於晶格振動的能量量子——聲子,使得電子和電子之間產生弱的吸引相互作用,相當於電子配對的膠水。在高溫超導材料中,這種配對可以來自自旋漲落,此時電子和電子之間是存在排斥相互作用的。因為後者尚未被廣泛認同,我們不妨就傳統金屬合金材料的BCS超導理論來理解這個問題。
超導狀態之所以能夠形成,就是因為配對的電子不僅發生了配對,而且電子對之間發生了相位相干,並凝聚態到低能組態——超導態。超導態相對於有電阻的正常態是存在一個能量障礙的,稱之為能隙。破壞超導態的方式,可以是破壞電子配對,或者破壞電子對的相干性,或者直接開啟超導能隙——即給超導體系一個能量擾動。這個能量擾動,主要就來自於溫度。溫度升高提供的熱量,讓原子振動加劇,超導電子吸收足夠多的能量,就可以跑到更高的有電阻的正常態去,從而超導被破壞。這就是超導體具有臨界溫度的原因,按照BCS理論,超導能隙和臨界溫度成一個非常簡單的正相關關係,零溫下的能隙與臨界溫度比值一般就是一個固定值。
其實超導體不止一個臨界引數——臨界溫度,它還有臨界磁場和臨界電流密度等另外兩個非常重要的臨界引數。臨界磁場略微比較複雜,可以是破壞電子對位相相干,進一步拆散電子對。臨界電流密度也很容易理解,雖然超導體電阻為零,並不意味著加一個電壓,電流就可以無限大,畢竟超導體內部參與導電的電子數目還是有限的,也不可能所有的電子全部參與超導,所以必然存在一個臨界電流的上限。一旦超過這個臨界電流密度,超導體將恢復到有電阻態,電流會進一步急劇下降。臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度三者共同構成了超導體的“臨界曲面”,必須在溫度足夠低,磁場不夠大,電流密度不是那麼大的情況下,才能保持超導狀態。超導體能否廣泛得到強電應用,其臨界曲面是最關鍵的因素。