高温超导原理

（电阻与超导）

说到超导首先要弄清电阻的成因，电阻一般认为是自由电子，在电场作用下定向运动与原子碰撞产生的阻力，这种对电阻的定义不能说明电阻的本质，导体中的自由电子在有无外电场的作用下都有热运动，这种热运动烈度远大于外电场的电子定向移动速度，电子在外电场作用下的定向移动会产生大量的电阻热能耗，导体中本身的热运动也同样会使电子自身的热运动速度逐渐降低，最终会使电子趋于靜止，显然这于事实不相符，电子的热运动碰撞原子并不会使电子动能减少，也不会发热，电子的运动不可能于原子有真正的粒子间的碰撞，自由电子与原子外层的电子间存在着较强的电斥力，电子只能在原子间电场力平衡的区域运动，电子在电场力平衡的区域运动，不存在碰撞，不存在能损，更不可能因此而发热，因此电阻的成因，并不是因为电子对原子的碰撞的能损，应另有原因。

导体多种多样，有能够移动的电荷，就能形成电流，就可以称为导体，导体有金属、有非金属，有液体等，最常利用的是金属导体。金属一般都有导电性，导电性实质上是材料分子间，存在自由移动的电子，导电性不是金属的专利，存在自由移动的电子或电荷，都可以导电，导电体的导电能力是不同的，有良导体，导体和半导体和绝缘体之分，导电能力的强弱和材料中的自由电荷的数量有关，也和电荷流动环境有关，如温度、材料结构等。导体中阻碍导电能力的因子称为电阻。

金属晶体内的自由电子并不自由，电子的热运动产生磁场，各运动电子的感应磁场相互耦合，形成相互联动的电子磁场涡流，金属晶体内不同电子涡流间相互作用，使之呈热平衡态。金属晶体内本是电场等势体，各处电势都相同，当有外电场施加于金属两端时，金属晶格间就有了电势差，电势差驱动电子定向流动，金属晶格间的电子呈电子涡旋结构，缠绕于晶格间，电子要定向移动，必先解除缠绕于晶格间的电子涡旋，这种解旋要有一定能量，这一解旋能，就是导体电阻消耗的能量，称之为电阻。金属导体内温度越高，电子的热运动越强，电子能量涡流团就越强，电阻因素就越大。也有个别负温度电阻效应的材料，电阻和温度呈反比，主要成因是温度越高，原子外层释放的自由电子数量越多，但温度的热阻因素还是存在的，多见于半导体材料。

准确地定义电阻，是理解超导的关键，才能弄清楚0电阻是什么状态，材料中没有电子的磁涡流形成，就不会有电阻，能阻止电子磁涡流的形成，就实现了超导，超导就是这么的简单。

超导的产生：

低温超导

当导体温度降到接近绝对0度时（0K），导体中的自由电子的热运动很弱，电子的热运动磁感应涡流趋近于零，这时电子自旋极相互耦合势能大于热运动能势，电子自旋极相互耦合呈环状结构，电子自旋力矩是本身固有的定值，不受温度影响，电子在几乎没有热运动的情况下，自旋势能（力矩）不会降低，因此电子在低温下自旋极相互耦合成环，2个电子组成环结构，形成闭合磁环体，此时称为电子复合体（也称库珀对），这时的复合电子呈无极性的复合粒子，在金属晶格间移动时，不会形成电子间相互影响极旋，由于晶格的限制，电子在较低运动时也没有磁感涡流的产生，电子在电场作用下移动时，电子与极子外层电子的斥力作用，不会发生实质性的碰撞，电子只在晶格电场平衡面上移动，不会接近原子或离子实体，更不会相互碰撞，因此，电子的移动过程不会有能耗，电流不会有电阻，此时就是低温超导状态。

当温度升高时，电子复合环有较强的热运动，过强的热运动使电子复合体瓦解，因而超导很难在较高温度下存在。当有外磁场存在时，电子复合环会有抗磁性旋转，形成强的抗磁性。电子复合体是超流性的，有磁场存在时，复合电子或电子会在垂直于磁场的平面上旋转，旋转的电子感应的磁场方向与外磁方向相反，因此呈抗磁性，和金属自由电子抗磁反应机理相同，只不过超导体的自由复合电子的抗磁反应最强，因而表现为强抗磁。

电子库珀对超导，以单质的元素低温超导为主，电子在极低温度下，自由运动势很弱，加之金属结构的特殊性，限制了电子运动的磁涡旋的相互耦合，电子在这低温下自旋极相互耦合为无极性、无整体自旋的电子复合体，这种复合体几乎无热运动，在晶格间电中性平面内较慢地移动，无阻克碍动则恒动、静则恒静的电子超流态，电阻超导态。

元素表中有很大一部分在低温下不呈现超导性，原因之一，其金属结构在上下左右各个方向上，没有屏闭电子运动的作用，使电子自由运动的磁场涡流易于发生，其二、金属外层电子在低温下有被电子轨道锁定在轨道空间内，自由电子密度降低，此时的金属导电性下降，有部分金属只有在高压下，从轨道中释放出一定量的电子，超导性可能发生。 

高温超导：

电子库珀对超导，只适用于温度在40K以下的极低温度内，温度较高电子自旋就无法极旋耦合，因此高温超导机制并不是电子互耦产生的，从电阻成因来看，要降低电阻就从限制电子热磁涡流入手，当材料内不发生电荷子热运动磁感涡流，无论温度有多高，电阻都可以为0，高温超导的研究要从限制电子热涡流发生入手。

电子或载荷子在较高的温度下，必然有热运动，温度本身就是粒子运动或振动烈度的一个量度，温度与粒子的运动呈成相关，不存在温度高，粒子运动低或不运动的现象，高温与电子的运动是不可解决的两个相关的因素，研究高温超导从限制电子的热运动入手是不可能实现的。电子热运动形成磁感涡流，有二种因素在共同作用，一、是电子的热运动，二、是热运动的磁感应要有群发效应，即有多个电子的热磁感相互耦合成涡旋。第一个电子的热运动是无法抑制的，只能在第二个因素上下手，所谓涡流，就是一股一束，或众多参于旋转才能称之涡流，也就是说导体内的电子热磁涡流是有众多电子的热磁感应相互绕旋纠结在一起的，是一个较强的电磁团。如果在技术上能做到电子热磁感应相互分离，使电子的热磁不相互影响，不相互纠缠成一束或一团，高温超导就可以实现，从材料结构上充分隔绝电子热磁的互绕，高温超导、常温超导都可能实现，经过科学家们的辛苦努力共发现5000多种有超导特性的材料，主要有铜基超导材料、铁基超导材料，在这此众多超导材料中，其结构特点：层状晶体间参杂有电荷载流因子， 下图为铜氧化物超导晶格。

A为不同铜氧化物超导系统的结构图

B为CuO2平面是所有铜氧化物超导系统的主要结构基础 

德国的乔论特（Dirk Johrendt）所领导的团队发现一个新的、具有双层Fe-As 结构的铁砷超导体系，中国科学院物理研究所靳常青及朱经武的休斯敦大学团队，也随后发现另一个称为111结构的铁砷超导，铁基超导共有如下图4种结构形式， 为4种形式铁基超导材料也都是分层结构，层间插有载流子，这些是铜基、铁基超导材料的共性。超导材料有分层结构，这是超导的必要条件，层与层之间隔绝了层间的电荷载流子的热磁互扰，这种分层结构的超导只能实现相对高温的Tc值，不能实现常温的超导，一般在种分层结构的超导材料，只能实现约100K以下的超导，超导温度很难再提高，因为这种结构在较高温度下，电荷子的热运动较强烈，磁旋涡流效应也就比较强，绝缘的晶层隔离不了热磁感应，因此超导温度很难提高。要实现常温下（300K以上）的超导，必须使层间的互扰不能发生，同层的电荷子也不能有强的互扰，要做到这一点理想的结构：柱状中空结构，柱体为绝缘体，柱中心有自由移动的电荷子，电荷子对前后左右的电荷子都不能有互扰作用，这样才能实现真正的高温（300K以上）超导。

4种典型铁基超导体的晶体结构示意图

材料结构是高温超导的关键因素，设想有一种材料只能使单个电子作定向移动，不能于周边电子热磁相互感应，其电阻就趋向于零，成为超导电性。假设将金属丝拉得足够细，细到几乎是单原子排列线结构，电子只能须着原子线定向移动，不能形成多电子的热涡流的磁涡旋，其电阻必为零，其超导临界温度理论上是其熔点温度。事实上金属丝不可能做成单原子的线状排列，金属丝的细度小于电子形成热涡旋的最小结构体时，就能实现金属丝的超导电性，电子热涡流结构体的大小，需要实验测得。

空心管状体也是隔离电子的好结构，假设将石墨做成6个原子的管状结构，电子在管中空间流动，管内的电子只能顺着管径运动，不会形成电子旋转涡流，不会形成电阻因素，这种结构体也是几乎不受温度因素影响的超导体，超导温度可以高达几百度（）以上。

本节参考论文

《新型铁基超导体材料的研究进展》——郭建刚  金士锋 王刚 王顺冲 朱开兴等

《超导电性机理新议》——中国工程物理研究院  黄世明

《组分简单环境友好的铜基高温超导材料:“铜系”》——赵建发 李文敏 靳常青

《非中心对称超导序参量研究》——张警蕾  焦琳  庞贵明  袁辉球

《高温超导的铁器时代》——吴茂昆

《高温超导研究面临的挑战》——中国科学院物理所 向涛  薛键