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 超流与超导的新认识

1.超流现象

1938年卡皮查和艾伦等同时发现了He II超流，He II能以每秒几厘米的速度流过两块压紧的抛光玻璃表面所形成的缝隙，而对复杂体系运动规律的认识，是21世纪科学的主要目标之一.在自然演变求衡组成的可见物质世界里，最基本的元素是氢.氢又转化为其它元素，最接近的是氦.液氦的流动性极大，能渗透气体进不去的小孔，这就是超流现象.

笔者认为：超流现象应该是引力质量之间的万有引力和弱相互作用基本平衡状态.

2.超导现象

液氦还能使一些导电的金属物体具有超导现象.1911年昂尼斯做过一个实验：他将铅丝做成闭合圆环，放在磁场中，让磁场的方向垂直于环的圆平面，然后让铅环浸在液氦中降温，当线圈进入超导态后，去掉外磁场，这时在闭合超导线圈内感生出一个感应电流.由于超导电阻为零，这个电流是否可以长期保持下去呢？后来有人重新更精致地做了这个实验，用磁强针放在铅环中心，证明线圈中的电流经过几年的时间也没发现有丝毫的衰减.

所谓超导现象就是在一定的低温下，金属的电阻率突然变为零，电子的运动速率保持不变，永远以某一个速率运动下去，这种现象在低温物理研究中称为超导现象.所谓超流现象就是在低温液体的流动现象里，液体流过很细的导管不用任何压力，液体就能顺利地从管子的一端流进，并且流到另一端，这种现象在低温物理现象中称为超流现象.发生超流和超导现象，当然不是某种物质的一个单体行为，而一定是多体行为，即是该物质的一种系综现象.而单体可称“球量子” 或“环量子”，一般的先验图像和经验图像类似“颗粒物质”.

笔者认为：超导现象应该是电磁质量之间的电磁力和强相互作用基本平衡状态.

3.软物质与硬物质

20世纪相对论和量子力学对物质世界新认识的开拓，深入研究了“硬物质”如金属、半导体及各种功能物质，然而却存在另一类型的物质，其运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出.例如，与一般硬物质如金属、陶瓷等的运动变化规律有许多本质区别的软物质.软物质也称软凝聚态物质，是指处于固体和理想流体之间的物质，一般由大分子或基团（固、液、气）组成，如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系等.其颗粒物质既类似固体，流动时又像液体、气体，运动规律很复杂；而且颗粒物质可涵盖各类分离态物质，如沙石、泥土、矿物、粮食等，以致公路上车辆流动也可作为研究对象.

软物质概念出现之前，一般将液体分为简单液体和复杂液体两大类.1991年诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳用“软物质”一词概括复杂液体等一类物质，得到广泛认可，近年软物质物理已成为一门新的学科领域.软物质如橡胶、人造纤维、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等，与人们生活生活密切相关，在技术和生产上有广泛应用背景.又如生物体细胞、体液、蛋白、DNA等，也是多学科交叉的研究领域，更是通向研究生命体系的桥梁.软物质是复杂体系，其基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性等，与固体和液体有不同的运动规律.例如有人研究颗粒物质及胶体的相互作用和动力学，对固体粉末与液体混合物体系的电流变液，通过改变施加的电场强度，可连续调节其软硬程度.软物质如拉伸橡皮，其恢复力是熵力所致，与拉伸弹簧的恢复力明显不同，如双亲分子的界面作用与其他物质界面也有很大差别，而生命物质的活性也不能用普通物质的运动规律去理解等.

所谓“刚性”，是指应显示有平移的不变性.如果把超导、超流现象联系软物质，把单个的电子、氦原子看作“刚性”的粒子小球，超导、超流现象自然是个多原子体系.再说超流和超导都是一种相变，并且都是量子效应的一种宏观表现.如果我们再把超流和超导这两种相变联系两种社会图像，如把单个的士兵比作“刚性”粒子，那么一支部队在树林中的穿行，也许就类似电子流在超导体的晶格原子、分子中穿行；而一支队伍在大路上行进，也许就类似超流液体原子、分子在管子中行进.再说1954年伦敦提出除了超流以外，唯一的另一种无耗散的流动，就是原子和分子系统中的轨道电子流.这是在一个稳定的原子中，每一个电子都占有一个定态，这种电子流式的超流是一种量子流，并且应有一个遍布整个系统的波函数.

在朗道提出的超流唯象理论中,就曾假设在临界速度Vc下的整个液体有速度V，如作为量子液体，这其中隐示着系统的原子或分子由于相互作用而呈现的某种“刚性”，这种“刚性”也应体现有一整体的波函数.如此量子图像联系士兵队伍图像，而类比处于固体和理想流体之间的软物质，那么软物质具有的类似空间缩放对称的自组织行为、双亲分子的界面作用差别等特性，在超导、超流现象中也是可观测到的.例如把超导、超流中的单个的电子、氦原子看作量子，超导、超流作为一种类似空间缩放对称的自组织量子行为，本身类似一种宏观量子现象.这种量子图像在极低的温度下，就超流液体原子、分子在管子中的行进，如比作类似内接齿轮传动的唯象图像，流过的毛细管或狭缝，这里更多的是界面作用，这种界面作用和比外接齿轮传动，差别是很大的.例如在极低的温度下因不同于高温，超流液体的原子、分子间有解耦的分离，又有解耦的缠结，而成为类似内接齿轮传动中的一些内啮合的行星轮，同时管子壁原子、分子间的解耦分离与缠结，而成为类似内接齿轮传动中不动的内啮合中心轮圈，那么类似内啮合的行星轮转动会沿着内啮合中心轮圈移动一样，只要超流液体的原子、分子存在自旋，也会沿管子壁行进，而且这种宏观量子现象不违反能量守恒定律，因为原子、分子的自旋内禀运动是保持在能量守恒定律之中的，只有原子、分子的外在运动才必须遵守能量守恒定律.这里包含了一种能隙因素的理论，并且是联系极低温度下的量子重组现象的.例如，等离子体据认为是宇宙中最普通的物质，它通常都是很热的，但美国科学家却制造出了“超冷”等离子体，所带电子温度只高于绝对零度一度左右.由于理论认为衡量任何等离子体的关键指标之一是重组率，即离子与电子重组为中性原子的速度，它有三种主要的重组过程，其效率以一种已知的方式随着温度与密度变化，但扩张的“超冷”等离子体在密度非常低的情况下，重组速度却比料想的快得多；其速度之快，以至于现有理论也无法解释.又如，在硅材料上施加巨大压力后，简单的六方晶体变成结构致密的六方晶体硅，在足够低的温度下也可转变成超导体.

4.液He-4超流朗道理论解释

对液He II能够流过毛细管或狭缝而不呈现出任何粘滞性的这种性质的超流，实验发现如果用真空泵持续降低液He-4的蒸气压，使其温度降低，在2.17K将发生相变，在相变点附近比热有一尖峰，形状很象希腊字母λ，因此称为λ相变，2.17K称为λ点，温度高于λ点，液He的性质是正常的，称为液He I，温度低于λ点，称为液He II，即He-4的超流相.为了解释超流，朗道猜测液He-4的准粒子谱中存在极小值，即液He中，相互作用的多原子体系是一个具有特定量子态和能量本征值的整体，低温时，只有低激发态的行为对系统有影响.低激发态可看作是若干具有一定动量p和能量E(p)的准粒子（或元激发）在物体内的运动，因而原子间的相互作用被归于准粒子的能谱E(p)，相互作用多原子体系变为准粒子组成的理想气体.该预言被非弹性中子散射实验证实.

即液He中有两种元激发，一种是声子元激发：E(p)=cp，这里c是声速，实验值为约239m/s，另一种是旋子元激发：E(p)=Δ+(p-p0)2/2m*，这里Δ是能隙，m*是有效质量.根据朗道超流理论，当液He-4在毛细管中流动时，只要流速不超过临界速度，液体内就不会产生新的元激发，即液体流速不会减漫，表现为粘滞系数为0.在朗道的4He超流唯象解释中，激发态的能隙起着非常重要的作用，它是“刚性”的体现.电子-声子作用引起的电子有效吸引力提供了全部问题的动力学基础，而下一步是如何在这个基础上给出能隙.

库珀于1956年在探索超导微观机理时，考虑了这样一个问题：一个被填满了的费米海，外加二个电子，电子间有吸引力，求电子系统的最小本征能量和相应的本征态.计算结果表明此时最小本征能量小于它们自由情况时最小本征能量，即二个电子形成了某种束缚态.

相对于这个束缚态来说，原先自由的情况正是一种激发态，或者说破坏这个电子对，产生了系统的元激发，二者的能量差正提供了能隙.而这个束缚的本征态是一对动量k、自旋方向s和动量-k、自旋方向-s的电子.这样的一对电子，人们称之为库珀对.

而早在1950年，弗劳里希已证明电子和声子的耦合能使费米面附近的电子间产生一种有效的吸引力.当电子(费米面附近的电子)行径可以极化的晶格点阵，引起点阵形变，也就是与声子耦合了，声子追随电子运动(如果电子的运动频率不是太高)，同时声子又影响随后的费米面附近的电子，致使电子之间产生了有效的吸引力.

弗劳里希的工作没有考虑实际存在的电子间的斥力.1955年巴丁和派因斯提出了包含库仑斥力在内的完整哈密顿量，并证明了在一定条件下，吸引力可以超过排斥力.声子在低温超导中起作用的实验支持来自于1950年的同位素效应，在纯的同一金属的不同同位素的超导体中，测量超导转变温度Tc，发现Tc反比于同位素质量M的平方根.这表明电子-声子相互作用在低温超导中扮演着一定的角色.

由于库珀所考虑的二个电子和全部已填满了的费米海，在此二体的问题中，既然二个外加电子会配对形成能量上有利的束缚态；那么费米面内费米面附近的电子也能被激发至费米面外，配对并形成能量上有利的束缚态，这一来，整个费米面就不稳定了，应该考虑在费米面附近二边能量相当于最大声子能量，即所谓德拜能量间隔内的多电子系统.1957年巴丁、库珀和许里弗在库珀的二体问题的基础上，考虑多电子系统的问题，终于提出了一个成功的、解释超导微观机理的理论，即著名的BCS理论（巴库斯理论）.

在这个理论中，系统的的哈密顿量由两部分组成.一部分描写电子的自由运动，另一部分描写使电子配成库珀对的相互作用.超导态的电子系统从某种意义上说是一个开放系统，它只是费米面附近一部分电子，由于电子对数不固定，或说电子数不定，超导基态应是由无配对电子与有一个任意可能的库珀对的状态的迭加而成的态.

5.与BCS电子配对不同的超流理论解释

1972年Osheroff等发现在液He-3溶解曲线（固相和液相分界线）上，在2.6mk和2.0mk处有两个相变点，新出来的相是液He-3的超流相.相图显示：在34个大气压以上He-3处于固相；低于34个大气压处于液相，液相又可分为正常相、超流A相和B相.正常相到A相或B相的转变是二级相变，A相到B相的转变是一级相变.

He-3原子的电子总自旋为0，核自旋为1/2，是费米子.因此无法用液He-4超流理论解释液He-3超流，但液He-3正常相可以用费米液体理论解释，这启发理论家用超导电性的BCS理论解释液He-3超流.即在液He-3费米面附近具有相等相反动量He-3原子，通过液He-3的自旋极化，可在粒子之间产生吸引的有效相互作用，形成配对，超流部分对应的就是这些束缚配对.

但与BCS电子配对不同的是：由于原子间存在强的近距排斥作用，构成束缚对的两粒子相对轨道运动处在非零的l=1态，能量才是有利的，为保证费米子波函数交换反对称，自旋部分波函数必须是对称的，即自旋是平行配对（BCS是自旋反平行配对）的.配对后的He-3原子在费米面上形成能隙Δ（该能隙可是各向异性的），如果要拆散这一配对则需2Δ的能量.假设所有束缚对都以相同质心速度定向运动，则在低温下束缚对很难被破坏掉，即表现为粘滞系数为0.

6.二流体唯象理论解释

沿着这个方向，今天已发展起一整套的计算方法，借助于计算机，人们已能得到与实验几乎一致的结果，然而即使如此，对4He在物理上的理解还是不完全清楚的.

朗道唯象理论中的Vc判据只是一个必要条件，4He的元激发谱中除了声子外还可能有超流的湍流等，而在整个宇宙中，氦几乎占有三分之一的比例，它在天体的演化中扮演着重要的角色.

在成功的唯象理论中的假设或猜测部分，正是未来的微观理论所要澄清的，人们不能期望猜测的理由中没有错误.例如众所周知的玻尔原子模型，甚至根本没有给出任何理由就假设存在一系列的定态，然而这丝毫不损害玻尔模型的成功.应该说对超流现象的认识，极大地帮助了人们对超导现象的认识.与许多物理现象的理解过程一样，对超导现象的理解经历了一个从唯象理论到微观理论的过程.例如超导现象是一个相变的结果，要理解这一点，在唯象的层次上必须研究超导的热力学，即超导态是比正常态更有序的态，因为它的熵比后者小；其次，在无外磁场时，正常态到超导态的转变是二阶相变，因为在Tc处熵连续而比热跃变；另外，在超导态电子能谱上有量级为△的能隙.此外，实验还证明在Tc相变前后晶格结构无变化，声子对热力学有关量的贡献也一样，这说明是系统中电子发生了某种有序化的变化.基于有序的想法，1934年高特和卡斯米厄提出了超导相的二流体唯象理论.在此理论中Tc以下超导态中的电子被分为二部分，一部分为超导电子，指凝聚的部分，另一部分为正常电子，指未凝聚的部分.二流体唯象理论成功地解释了超导体的热力学性质.为解释超导的电磁现象，即零电阻和迈斯纳效应，弗·伦敦和海·伦敦兄弟于1935年在二流体唯象理论的基础上，提出超导电子的电流场方程组.按伦敦方程超导电流密度的变化率与电场强度成正比，只要电场强度不为零，超导电流就会越来越大，这表明超导电子只受电场作用而无阻力；无阻力当然就是零电阻了.

伦敦方程组中的另一个方程，反映了一个超导电流的回路会有一个反向的磁通量，迈斯纳效应正是由此而产生的.超导电流作为总电流的一部分，按照安培定律应该有正向的磁通量，而上述反向磁通恰好抵消了这正向磁通以至有迈斯纳效应.

伦敦的理论实质上还是二流体唯象理论，只不过加上了电磁场而已.1950年金兹堡和朗道提出的量子唯象理论比伦敦理论前进了一步.由金兹堡-朗道方程类似可以证明在超导体内磁场为零(迈斯纳效应)，同时给出了超导体的表面层电流密度与磁场的关系.

金兹堡-朗道理论还告诉出现超导的根本原因，在于超导态的序参量有所谓的“刚性”，它导致超导态的激发态与基态之间有能隙存在.这个理论的另一个重要预言是磁通的量子化.考虑一个超导环，在T＞Tc，即环在正常态时置于磁场中，然后使T降至Tc，环中的电子从正常态转为超导态，此时超导电流的走向所对应的磁场，正好抵消外磁场以保证超导体内无磁场-迈斯纳效应.金兹堡和朗道的理论还对穿透深度λ(T)和相干长度ξ(T)给出了重要预言，对它们的物理含义作深入研究导致了第Ⅱ类超导体的理论预言.