不讓分子運動(超低溫導致的),只讓電子運動,是不是超導現象的微觀本質?
樓主說對了一半。
先糾正一下,應該是超低溫不讓原子熱振動,只讓電子運動。
實際上 ,在超導發現之前,開爾文就猜想,金屬的電阻隨溫度降低而下降,主要就是因為原子的熱振動在不斷減弱,電子的運動受到的干擾越來越小,所以導電性越來越好。但如果降低到足夠低的溫度,電子會不會也被「凍住」,電子的運動也會變慢,電阻反而上升呢?這個猜想從經典物理的角度來看,似乎沒毛病。但是從量子物理的角度來看,卻是不完全正確的,滿殼層的原子算是玻色子,原子確實可以在低溫下能量集體降低,但是電子是費米子,它服從費米狄拉克統計,所有的電子不會因為低溫而降低到同一個最低能量組態,反而是因為能量高低形成能帶分布,在最高能量處形成費米面。換句話說,在極低溫下,電子依舊是在不斷運動的。既然如此,隨著溫度的降低,那麼原子熱振動越來越弱,電子依舊在不停奔跑,是不是導電能力就會無窮大,電阻為零呢?答案也不盡然。因為材料內部是難以避免雜質和缺陷的,它們會對電子造成固有的散射,也會造成電阻,這就是金屬具有低溫剩餘電阻率的原因。正是如此,昂尼斯才試圖在雜質缺陷最少的汞金屬中去探尋低溫電阻行為,試圖找到零電阻效應。奇怪的是,零電阻效應並不需要降低到絕對零溫,而是在4.2K就出現了,這就是超導。後來,人們陸續發現了上萬種超導體,其臨界溫度已經突破了125 K。這就不能簡單用原子熱振動降低到幾乎為零來理解了。
超導體的零電阻,關鍵在參與導電的電子們,他們形成了兩兩配對,所謂超導庫伯對。配對的電子動量大小相同、方向相反,自旋方向可以相反也可以相同。正是因為電子配對了,在成對運動過程中,一旦其中一個電子受到能量損失,另一個電子就會受到能量增加,中心能量保持不變。那麼整體來說,就是無阻礙的運動。另一個關鍵在於,配對的電子是一個穩定組態,要打破這個狀態,需要付出一定的能量代價。所以零電阻的超導態即使在有限溫度下,依舊可以存在。
最後,超導狀態確實大都需要低溫,當然低溫下原子熱振動小是一個原因,還有一個原因是超導態實際上是一種宏觀量子態,需要在低溫下才能體現出來,溫度的增加會讓量子態不穩定,破壞超導。目前,科學家正在積極努力尋找室溫下超導的材料——室溫超導體,如果發現,將會突破人類認知和創造嶄新材料世界。
超導現象是宏觀的量子現象,是一個量子系統的整體行為。超導之所以需要低溫是因為熱運動會破壞量子系統的一致性。 量子系統的整體行為不能用粒子動力學來理解,也就是說不存在什麼「微觀」本質,傳統的動力學和還原論是錯誤的。
你故意把超導和低溫超導混為一談了,超導也有高溫超導,甚至在常溫附近也有超導現象。和低溫無關,更談不上本質。超導無非就是電子遷移率達到最大,阻抗幾乎為零,溫度只是一個實現這種結果的條件之一而已
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