超导原理

                                                           晏成和

《SCIENCE》杂志，发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话：敢来挑战么？

关于物质物理的的问题有4个，以下按原题号进行阐释、应战。

42.什么是高温超导性之后的成对机制?

自从人类发明了用电，导体内的电阻就损耗了大量的电能，然而只要价电子运转、金属内电阻就天然存在着。物质内导电通路是动态的，价电子在外层运动，其运转伴生的磁场对导电的电压波、对电流的运行形成阻碍-电阻就必然存在，想要电阻为零几乎是不可能。

大自然总是用例外考察人类的智慧，一百年前著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氦液化，获得了4.6K（-268.4）的低温。昂内斯将金属汞置于低温液氦中，发现汞的电阻急剧下降直至消失，电流很大、电阻为零！这样的现象叫做超导，这在当时简直是不可思议。其原理是什么？

面对电阻为零的超导，物理学应该有个说道，于是，各种猜想学说应运而生：有说是在低温条件下原子被冻僵了；有说产生了电子隧道，但是这电子如何凝聚、隧道怎样产生、原子如何冻僵？难有交代。

还有学者提出了唯象理论（建立在假定之上的理论）。1956年，库珀假定在极低温条件下两个电子凝聚、可以形成束缚态，形成电子对（库珀对）。第二年，巴丁、库珀和施里弗建立了完整的超导理论（BCS理论）。

BCS理论是以电子-声子相互作用为基础来解释超导电性的经典理论，它解释了金属元素及金属间化合物的超导电性。库伯对是当时解读超导的权威的理论，获得了1972年的诺贝尔物理学奖，于是成对机制也就成为超导重要的基础理论。本文的题目:什么是高温超导性之后的成对机制？看来提问人对BCS的成对机制是认可的，只是技术让超导慢慢走上了高温，打破了BCS理论的预言。

BCS理论最重要的预言是超导转变温度的极限是30K。1986年，这一预言神话终于被打破，瑞士科学家柏诺兹首先发现氧化物高温超导体，将超导转变温度提高到30K。很快，美国华裔科学家朱经武和中科院赵忠贤领导的研究组把超导温度推到液氮温区（77K以上）；不久朱经武小组又把转变温度提高到令人不可思议的164K。[1]

同时，BCS理论还有重要的预言：高温超导材料的同位素效应都应该是0.5。（即原子核中有一半质子、一半中子）但是在高温超导材料中，同位素都不等于0.5，有正也有零，同位素与超导无关!BCS理论的预言被事实抛弃、面临尴尬，此时就应该反思或者放弃BCS理论，可是科学界拿不出对超导事实更好的解读，只是想对BCS修修补补。[2]

BCS理论虽然获得了诺贝尔奖，但是这个唯象理论的逻辑模糊、先天不足，只能用非常复杂的物理词汇、十分牵强的理由让两个电子结成了对。并且只能够应用于金属超导，对超导迈斯纳效应不能解释，对非金属的超导无能为力。之后，随着超导技术的突破，BCS理论窘态百出。

越来越多的研究者开始怀疑BCS理论，超导理论面临浴火重生、凤凰涅槃。

上世纪末，对高温超导的研究吸引了众多的物理学高手。二十五年过去了，几百种高温超导理论被提出来，成千上万篇相关文章被发表在国际著名期刊上，大家都宣称自己的理论是正确的，可惜，他们都走错路了！不是他们智慧不够，而是量子力学禁止了对电子运动线路的探讨，物理学对温度没有实质性的理解。

超导必须在很低的温度条件下才能发生、超导最重要的特征是低温。可是，什么是温度、低温给电子运动带来什么？是物理学研究的空白，量子物理禁锢了对核外电子规律运动的探讨，现代物理学没能够回答温度与核外电子运动的关系。

超导与温度密切相关，于是，首先应该在温度、在温度与导电上寻找答案。在之前的博文《热的本质是什么？热学（一）》中[3]，谈到物质核外电子的运转速率随着温度变化，温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低，那么超导时候温度极低-核外电子速率很慢、很慢。

文章开头讨论到，电阻是价电子运转及其伴生磁场所导致。超导电阻为零，说明价电子的阻碍消失，是不是温度低-价电子的速率降低、甚至是运转停止？然而超导电流极其强大，说明电子没有停止，那么，价电子是强大电流的参与者。在这个温度低-价电子的速率降低和强大电流的矛盾之中，超导的机理显现端倪。

超导原理是：在很低的温度下，物体的核外电子速率降低，达到临界温度，价电子运转速率越来越低。核心习惯于高温下的核外电子快速运转，价和电子的运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。

核心把公用的电子流当成自己所需求的核外电子，用核心的库仑力（原子核吸引核外电子并且使电子绕核运转的力）去输运它，让其在自己身边流过。这样，公用的电子虽然没有绕核运转，但每一瞬时从核心身边流经的电子较多，部分地满足核心对电子的需求。

于是超导电流不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。较多的电子流动-形成强大的超导电流，在原子核的库仑力的接力输送下，电子畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。

正是因为超导电流获得了核心的输运力，所以它能像常态的核外电子那样永恒不断地运动，流速均衡、电阻为零，保持永恒的电流。超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动，伴生很强的电磁波，伴生着极强的磁场。

超导的抗磁性     实验表明，第一类超导体（金属物体）在超导时，外磁场从超导体内完全排出，表现出很强的抗磁性，又称迈斯纳效应。若外磁场太强，干扰电子不能形成整齐的公用定向运动，即使到了临界低温，超导也不能发生。

超导时大量电子在核心边均衡、畅通地流动，形成了核外电子的组成部分，外磁场会干扰超导电流的定向运动，所以超导电流伴生的磁场必须把外界的干扰磁场抵制在外，于是就形成了很强的抗磁性。

同样，内磁场强的物体也难以发生超导，铁磁性或反铁磁性金属因其内部结构元的排列使得价磁力叠加，内磁场较强，能够阻止电子被挪用而发生宏观流动，因而不具有超导性能。而且磁性物质的微粒——杂质也会阻断核外电子共用，影响超导发生。

第二类超导体     大自然往往是戏剧性地展示其风采，后来发现的超导材料并不是传统上认为是良导体的金属及其合金，而是在常态下导电性能很差、甚至是绝缘材料的氧化物体系的陶瓷，这就是所谓第二类超导体。

此类超导是多元素化合物，是由许多元素的结构元结合而成，电子空位只占其一隅（整体上是一条细缝，用石墨烯偏转一个小角度超导就是形成一条缝），第二类超导体的超导电流伴生的磁力线不很密，外磁场还是能从其他元素间穿过，所以迈斯纳效应不是十分明显，但是允许通过的外磁性不能太强，否则也会阻断超导。这类超导体的临界温度较高，超导电流也较大。

元素的价电子数为5、7时，不能够均匀分布在原子表面，形成价电子的再分层（如5可分成4，1）。因而价和运转的环绕角不均匀、间隙不等，低温条件下核心对最外层电子管束不力，首先在间隙大的远端形成电子公用、形成超导。所以价电子数为5、7的元素在常温下通常是绝缘体，在低温下却较易形成超导。

当原子质量较大，核外电子数多，层数也多，核心对外层电子管束不力，超导电子空位容易产生，所以较易形成超导，而且临界温度较高。

一些绝缘体在低温条件下价和电子降低速率，发生了外电子公用，形成了性能良好的超导体，绝缘体形成超导，为电子空位导电再次提供了例证。

超导现象的特征，一是在低温条件下价和电子降低速率，形成外电子公用；二是超导时公用电子的流动不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。这是金属、非金属所有超导发生的共同原因，是一个统一的超导发生机制。背离了这两大特征，超导就无从谈起。

物质的超导特性与温度密切相关，而且极有规律性。再一次为核外电子的运转线路、速率决定物质的各种特性；电子运动的线路、速率的变化决定物质各种特性的论点提供了有力的例证。超导的形成根本不是什么成对机制、与同位素效应毫不相干。超导形成的关键词：低温、价电子低速、挪用价电子、共享、输运力。连贯起来构成了一个统一的超导理论。

 提高临界温度的方法     世界各国都在致力于研制高临界温度的超导材料，临界温度每提高一度，全世界都为之振奋。   然而近十年来，全世界对临界温度的研制没有大的进展，还能不能进一步提高临界温度？是一个世界难题。

依据对超导发生的原理的研讨，有可能把超导的临界温度较大幅度的提高。超导现象是在极低温条件下，核外电子速率降低，所发生的外电子挪用-公用。这外电子挪用是形成超导的首要。

我在静电与电压文章中谈到：当物体带有正电荷（缺少电子），各原子争抢电子，并且产生静电电压。这里，物体内电子总量缺少，争抢就是挪用。那么，我们人为让超导体事先带有正电荷，使挪用电荷的现象在常温下就已经发生。随着温度降低，挪用导致公用现象也会提前到来，不用等到原来的临界温度，挪用-公用核外电子——超导就提前、在较高温度条件下就发生了。

这样，让超导体事先带有正电荷，就可以把超导的临界温度大幅度的提高。

超导发生之后争抢归于平顺，事先所发生的静电电压也会下降。 十年来，我把可能提高临界温度方法的信息发布，企盼国内实验室率先运用取得成效，可惜，人微言轻没有伯乐。

让超导体事先带有正电荷提高临界温度的方法是科学预言，一旦实验证实用此方法提高了临界温度，也将证实我们超导理论的正确、证实核外电子规律运转理论的正确。

                                  2019/1/2

附：在《环球科学》网站(2012-06-28)看到《研究人员发现高温超导材料“量子临界点”的证据》一文，文中谈到：“现在，由日本、英国和美国的研究人员组成的团队的最新研究发现，超导发生有一个量子临界点，该发现将在解释为什么有些材料在较高温度下成为超导体的漫漫长路上迈出重要一步。详细研究发表在《科学》杂志上。

这个团队首次添加了一个掺杂因素以提供额外电荷。在置于极端低温并添加了适量的掺杂因素时，该材料成为了超导体。”

我关注的是该科研团队的实验，在他们的超导实验中，首次添加了一个掺杂因素以提供额外电荷，这是人们在超导实验中首次提供了额外电荷，提供了额外电荷导致超导现象就提前发生。这实验与我16年前的推论，让超导体事先带有正电荷，就可以把超导的临界温度大幅度提高，完全相符；这实验证实了我早年的设想。

鸣谢：这次文章借用了黄秀清先生的科学网博客中的文献数据，在此鸣谢。

参考文献：

[1] 黄秀清，科学网博客，超导BCS理论，百年诺奖最大骗局！

http://blog.sciencenet.cn/blog-480705-416002.html 

[2] 黄秀清，科学网博客，为什么BCS理论可以被轻易推倒？

http://blog.sciencenet.cn/blog-480705-416356.html

[3] 晏成和，新浪网博客，温度，热和光（一）

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5521e73c0102wjq5.html