常温超导原理及应用

朱国山 

超导是一种零电阻的特殊状态，研究超导事实上是研究电阻的问题，搞清楚电阻的成因，自然就明白超导的原理，目前很多科学家研究超导，忽观了它是一种电阻的特殊状态，只专研于超导的很多特殊性态，走入了研究的误区，本文从电阻的角度，理清电阻与超导的关系。一百多年来，人们始终没有研究透彻超导的成因，主要是对电阻的定义有所出入，从中看不出电阻与超导的关系所在。

一般科学工作者对电阻的认识只是表面的、感性的，电阻的成因没有人足够重视，一般人们的解理也都是想当然的认为是：电子定向移动时于原子的碰撞所消耗的能量。没能对电子的运动进行深入地研究。

我们知道在常温下，电子在金属晶格间作高速热运动，有资料显示在室温27时电子热运动的速率为1.08×10^5米/秒。

铜最外层有2个S轨道电子，在常温下每个铜原子可以提供一个自由电子，另一个S轨道电子结合到3d⁹轨道上，为3d¹⁰满轨道状态。

1摩尔量为6.02214076×10^23个，1摩尔的铜是63.55克，密度为8.96克/cm³,1摩尔铜的体积为7.0926cm³，如果将其做成截面积为1mm³,导线，长度为7092.6cm=70.926米，如果将其通过1安培电流，（电流单位：1安培=1库伦=6.24146×10¹⁸个电子/秒），其导线中每米有8.49074×10^21个电子，可以计算出电子的定向移动速度为：7.35×10^-4米/秒。

如果导体电阻发热是电子与原子间的碰撞，它的发热量应于电子热运动速率成正比，常温下（300），电子自由热运动速度为1.08×10^5米/秒，对应温度为300K，外加1安培电流后，电子的速率增加了7.35×10^-4米/秒，导线将升温0.00000001，于日常导体电流发热量严重不符，导体中形成电流的电子速度是相当低的，于碰撞的电阻说严重不符，可见电阻的成因并不是电子与金属晶体的碰撞。

电子在原子晶格间的运动，并不能理解为宏观的物体碰撞，金属晶格间自由电子与金属原子的相互碰撞，电子在接近原子时受到外层电子的斥力，电子不可能与原子有真正意义上的接触式碰撞，电子只在原子晶格的中间地带绕行运动，并不能直接碰撞到原子，电子只在晶格间电势平衡的区域运动，其动能不受有实质性的损失。 

电阻的成因及超导

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，因为金属原子最外层都是电子最少的s亚层，其轨道锁能态最弱，极易失去电子，游离于晶格间，成为导电因子。材料的导电性实质上是分子、原子间存在着自由移动的电子。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、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，电子的热运动感应磁场，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，自由电子在磁场涡旋的牵制作用下，也呈涡旋状旋转，自由电子并不是完全自由的，它只能在一定的晶格间，随磁涡旋而旋转，定向移动受到晶格的限制，若内加电场廹使其定向移动，必先打破晶格间的磁场涡旋，若磁涡旋不解除电子无法移动到磁场限制范围以外，这种解旋的消耗的能量就表现为电阻的能耗，也称导体电阻。

可见导体内若形成磁旋涡流，就必有电阻，要想导体内电子流动不形成电阻，就必需限制电子形成磁旋涡流，磁旋涡流的形成是多个自由电子间感应磁场的相互纠缠，也可以说是自由电子间相互打结，不让自由电子间相互打结，就必需在材料结构上对自由电子热运动进行限制，使电子间不形成相互的影响，导体就不会形成电阻，导体就处在0电阻的超导状态。

一百多年来，人们对超导的研究，提出了许多理论，没有一个理论能够完美的阐述真正的超导成因，最著名的超导理论BCS理论，运用电子自旋耦合现象形成库珀对，免强说可以说明极低温超导现象，温度略高不能形成库珀对时的超导现象，它就无法解释了，对于常温超导他们就完全没有了头续。

传统超导理论的误区：低温超导BCS理论，认为电子相互间形成库珀对是形成低温超导的原因，库珀对是存在的，库珀对也可以降低电子热运动的磁旋涡流的产生，但不是形成超导的基本原因，在极低温度下，有的金属有超导性，有的金属没有超导性，但库珀对在所有金属导体中都是存在的，^【1】如铜、银等金属在几乎绝对零度的极低温度下，也没有发现有超导性，汞在4.15K时表现为超导，锝在8.22K时表现为超导，铜、银几乎没有超导性，这些难以用BCS理论的库珀对来解释。

超导原理：在极低温度下电子热运动势是相当弱的，但不会为0，也就是说不会一点磁涡流都没有，如金属铜、银等，在几乎接近绝对0度时，也不会形成超导体，能否实现超导是于金属的晶格结构紧密相关的，晶格能有效的限制电子热运动的磁旋涡流的产生，在一定的低温条件下就有可以实现超导电性。超导的转换温度的高低严格于材料的晶体结构有关，目前所研究的高温超导材料都是陶瓷性的，我们知道绝大多数陶瓷都是电绝缘体，但几乎目前发现的高温超导体，都是在陶瓷材料的基础上，加上有导电性的粒子构成一层导电层，使材料呈三明制状，绝缘层和导电层相互交递。绝缘层可以限制导电粒子热运动形成磁涡旋，这种限制也是有限的，当温度过高，电子运动强烈时，层之间的电子热运动感应磁场过强，还是可能相互影响的，超导就不能形成。 

中国工程物理研究院，成都的黄世明著《超导电性机理新议（II）元素超导体和化合物超导体》给出了几乎所有在低温下的超导特性的单质金属的晶体结构，转换温度等重要资料，并指出在常压下，IA 和IIA 族共有10 个元素被检测过，无一显示具有超导电性。下二个表格列出在常压下有超导性的金属晶格都是非空间对称、各向同性的结构，电子在晶格间的移动势是不相同的，在极低的温度下，电子在某一较密的晶格向上，相互磁旋涡流可能被晶格所限制。下表中有较为对称的晶格只能在高压下表现为超导性，说明这些金属晶体在高压下改变了其晶格结构，使晶格呈空间非对称性，YBa2Cu3O7高温超导材料，是典型的陶瓷超导材料，它的磁涡流隔离层为CuO层和BaO层，CuO₂层为加放有多余电性离子的电性层，几乎所有的陶瓷超导制备过程都类似：在绝缘的陶瓷材料中加放导电粒子，构成高温超导体。 

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。 

常温超导的实现

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。

研究超导的目的就是工业生产应用，显然陶瓷类的超导，由于其难于加工性，很难广泛应用于生产生活中，要实现广泛的应用必然实现常温超导，并且如一般金属导线一样，可以施工布线，显然目前所研究的陶瓷超导没有广泛应用的价值。要获得应用性的超导材料，还必须在金属或金属合金类上下功负。

金属类不能实现较高温度的超导，主要是因为它不能建立有效的隔离载流子的结构，如果在金属内人工的建立这一隔离墙，金属类的高温超导或常温超导是有可能实现的。

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，其电阻就必然为零，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。超细纳米金属丝，是实现室温或几百度高温超导唯一可行的方案。各种的陶瓷材料，各种的二维单层材料都难于实现常温超导，或能够常温下有超导性，但材质的因素也无法广泛的应用。

金属丝实现超导，理论上要求金属原子呈单个线状排列，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，自由电子磁旋涡流结构体的大小，需要实验测得。现在蓬勃发展起来的纳米技术，为金属超导丝的实现提供了可能，超细纳米金属丝的超导线材，是将来超大功率输电的主要方式，也是大功率电机、变压器的必要线材。超细纳米金属（铜）丝制备超导线材，将金属抽成细丝是不够的，金属丝还需要绝缘处理，金属丝之间相互接触必须有绝缘层，不然相互之间有自由电子交流，形成磁涡流就不会有超导性，纳米级的金属丝绝缘层，也必须是纳米级的绝缘材料，用一般的绝缘膝处理肯定是不行的，用单层绝缘硼烯或氢化的石墨烯层包缠，或纳米金属丝进行氧化绝缘处理，都是商业实现的方案。 

朱国山

2021-1

参考论文

1《超导电性机理新议》——中国工程物理研究院  黄世明

2《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

3《非中心对称超导序参量研究》——张警蕾  焦琳  庞贵明  袁辉球

4《高温超导的铁器时代》——吴茂昆

5《高温超导研究面临的挑战》——中国科学院物理所 向涛  薛键

6《新型铁基超导材料的制备和性能》——张现平，马衍伟，中国科学院应用超导重点实验室。