【5、从昂尼斯到库珀电子对超导理论】 a、昂尼斯之谜 1914年昂尼斯做的一个实验开辟超导的先河: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。温度极低,环路电流与南极出北极进的磁力线转动,这是典型的三旋空间现象。 即三旋量子数,体旋对应温度,面旋对应电流,线旋对应磁场。三旋是微观领域物质的一种固有属性,但自昂尼斯109年以来“科技圈内”却无人联系这个隐秩序。把超导看成软物质类似颗粒物质的现象,我们联系三旋理论有一种方法,例如在类圈体上用经线和纬线画出网格,我们称这些网格为转座子。即把类圈体分成环段,环段上又分格,做成一种象魔方式的魔环器;当然这种网格是可大可小的,任取一网格或一点都能在类圈体上或随类圈体,绕过类圈体内中心圈线所构成圆面的圆心的轴旋转,或绕中心圈线旋转。在类圈体上,如果把这种“颗粒物质”类似的网格和点块称为转座子,这种转座子式的颗粒物质也既类似固体,流动时又像液体、气体,并且有结成群体效应的运动,以及它的网格图形的形状和摆布是有规律可循的。 一般说来,作平凡线旋的网格是方形,作不平凡线旋的网格是棱形。如设转座子结成群体效应的运动以方形和棱形分别示意类圈体的两种转座子网格,如是方形,既能左右运动又能上下运动;如是棱形却不能,因为这种横竖运动会是尖对尖,两斜边同时都受到压力,无法整齐运动下去,只能作斜向运动。但如果说方形的转座子图案一定作平凡线旋运动,棱形的转座子图案一定作不平凡线旋运动,那也不对。因为区别平凡线旋与不平凡线旋至关重要的是环绕数,即斜向网格的连续边线至少是要绕环圈一周的封闭线。 一般地说,方形网块的一边是平行于类圈体内中心圈线的摆布,就只能作平凡线旋,也能单独作面旋。棱形网块或方形是斜向摆布,是否是作不平凡线旋,就要检查是否有环绕数;但有一点是肯定的,它们不能单独作面旋,它的面旋是同线旋结合在一起的。这种网格形状和摆布的锁定性,决定转座子运动是层面性的,这同超导电性不十分依赖于超导薄层间的三维耦合,表示出较明显的二维机理相联系。 其次,如玩呼拉圈可以在身体上下运动一样,三旋图象还能说明这种严格的二维限制,对于电子对这样的小三旋圈,在有穿过平面的线旋流线的作用且温度低到Tc或以下时,也能从一个平面层相干地通过约瑟夫逊效应隧穿到另一平面去,而对单个电子则不能。 根据上面对三旋转座子的最佳网络为方形或棱形的研究,寻找室温常压超导体首先应该注意层次斜方晶格一类的材料,因为它们接近于一种理想的宏观量子效应。如果电流是通过这种晶面,那么和外电路接通后,就构成了圈态,而在这段物质的电路上就易于形成不平凡线旋。不平凡线旋已结合了面旋和线旋,这正是通过电和磁的宏观量子现象显示出来的。其次体旋,粗略地讲是一种翻动,它和宏观的温度效应相连;温度越高,碰撞、翻动越大,这不利于电子对的贯注与配合协调。所以室温常压超导从宏观来说,要选择不利于翻动的晶格。 三角形网络在面旋、线旋上不如正方形运动有序已被排除在外,而正方形和其它正多边形相较,它的趋圆性最小,所以不易翻动,因此从三旋的宏观数理分析来看,层状斜方晶体对此类超导占优势地位。 B、库珀电子对之谜 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。 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、库珀和施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(巴库施理论)。 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叠加而成的态。 但韩国的“改性铅磷灰石晶体”超导机制,与BCS电子配对机制是不同的,它们能统一吗?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。环量子三旋与超导室温常压理论联系超导环,首先是环量子存在于微观物质。 例如当代超弦理论终于承认,所有基本粒子如电子、夸克等,都是一维延展体,而不是传统物理中所假设的点状体,它们或呈环状或呈线状,始终振动着、碰撞着;振动和碰撞的不同形式则决定了弦的性质,诸如电荷性和自旋性等,亦即决定了该弦所对应的基本粒子。 内禀三旋属于微观的量子现象,在粒子的质量与粒子的旋转矩之间存在着很深刻和有机的联系。例如,一种典型的三旋图象是,体旋对应温度,面旋对应电流,线旋对应磁场。进一步利用三旋图象认识从低温到室温常压、从无机到有机的超导材料晶格形态及转换的统一机制,载流子对(电子对或空穴对)其本质是一种小三旋圈,而导致载流子配对的是晶格中的大三旋圈。这类似玩飞圈的游戏,飞圈飞出去又飞回,要有自旋和抛掷力。电子对实际是形成的小三旋圈,而声子是产生它并抛掷它的原动力──这是低温超导的情况。 室温常压超导的情况要复杂得多,是否由别的什么因素导致电子成对,形成了目前的许多新的理论发展方向?但自库珀67年以来“科技圈内”,也无人联系超导“全息砖”类似的“六方结构”隐秩序。 如软声子模型中的"呼吸"图象,就是一种典型的孤立线旋:晶格中铜原子周围的氧原子有规律地进出,随着温度下降,“呼吸”变得缓和,在一定温度下振荡就停止了;由此产生的“冻结”的声子使电子发生了强烈耦合,从而呈现较高的转变温度。 又如激子模型,激子是电子进入一个较高能态而造成的空穴圈,然后又运动回到低能态,即电子将邻近电子排斥开而产生一种"极化云"圈,第二个电子由于极化云圈而降低能量并与第一个电子形成电子对。有的还设想“磁振子”的虚粒子导致电子相吸。有的又设想以反铁磁自旋涨落为基础发生的电子强耦合。甚至有的设想一对费米子和一对玻色子,它们各自分开的两个半子也可以形成一个玻色子,其性质介于费米子与玻色子之间,这些半子在特定条件下可以产生玻色凝结圈,从而出现超导电性等等。然而三旋图象都能与之相沟通,并对诸多超导难题能给出完整而自然的阐释。 三旋从唯象上说是一种两群谛合结构,即它包含类圈结构。由于环面与球面不同伦,应对自旋作物理的语义学规定。自旋:有固定的转轴或转点,能同时组织旋转面,并能在旋转面内找到同时对称的动点且轨迹重叠的旋转;自转:有固定的转轴或转点,但不能同时组织旋转面,也不能找到同时对称的动点或有对称动点轨迹也不重叠的旋转;转动:可以没有固定的转轴或转点,不能同时组织旋转面,也没有同时对称的动点,但轨迹是封闭线的旋转。 自旋定义对于类圈体结构应有三种自旋,面旋:类圈体绕垂直于圈面的轴的旋转;体旋:类圈体绕圈面内的轴的旋转;线旋:类圈体绕体内中心圈线的旋转。三旋图象给出了“整体与部分不同伦”又一新证明,并对当代整体论不作环面与球面的几何区分提出了挑战。 由于三旋至少存在两个以上对称运动且方向相反的动点,这同两个动量相同且自旋相反的电子相互吸引,形成束缚电子对做整体运动相似。然而这种电子对运动还只是一种小三旋圈,是形成超导的必要条件,还不是充分条件。从电磁波的吸收实验证明,超导体的电子能谱具有能隙,按照BCS理论,其超导基态可表示成哈密顿函数。 在室温常压超导中,电子的结构不是由于吸引而是由于它们被其它电子推动到一起形成了超导;从具有排斥作用的有限势的Hubbard铁磁模型的哈密顿函数出发,最后求得了与BCS理论很相似的超导能隙方程。室温常压超导晶格形态的机制是,根据前面对三旋转座子的最佳网格为方形或棱形的研究,寻找室温常压超导首先应该注意层状斜方晶格一类的材料。但这并不排除其它形状的晶格,如棱锥八面体。 其次,金属的蚀刻表面典型地显示出许多晶粒互相堆集在一起的杂乱无章的景象,但为啥又并不妨碍金属导电呢?这是因为金属导电,是由金属体内自由电子定向运动的结果;自由电子定向运动时,不时和处在晶格上的正离子相互作用而产生碰撞,而自由电子又要受到晶格散射作用的阻碍,从而产生了电阻;当温度降低到临界温度以下时,电子间的间接作用力克服了库仑排斥力,使动量和自旋方向相反的两个电子结成了库柏电子对圈,这便于物体转变到超导态。 而晶粒是晶体生长的自然结果。每颗晶粒都是一个单独的、有序排列的原子组成的晶体,当金属凝固时,在液体内部形成的许多细微的晶体开始生长,直至每一晶体挤撞到它的邻近晶体为止。 物理的作用力与几何的填充空间要求的错综复杂的相互作用,才确定了最终的晶粒界面。这是另一起的宏观量子现象,如果把晶粒看成一个量子类圈体,温度降低,不但表现为体旋减弱,而且圈体的辐振也减弱。实际在低温下金属的晶格也会变化,如白锡遇超冷即变成粉末状的灰锡。类圈体的体旋减弱,也减少了对自由电子运动的阻力。
|