论文摘要：目的：尝试探讨超导态的物理模型。方法：根据原子物理及超导相变的实验事实，从理论上提出模型概念。结果：电子结合成“库珀电子对”，二级晶格相变形成孪晶导电“走廊”。结论：超导态只能出现在低温超导相变的情况下：电子---结合成“库珀电子对”，原子核---通过二级晶格相变形成孪晶导电“走廊”，使物体的电阻率大大减小，电导率空前提高，呈现出超量级的导电行为。

　　论文关键词：库珀电子对，孪晶结构，超导电性

　　引言

　　众所周知，超导体的研究，已经成为新型材料研究领域中的一个重要方面。迄今为止，超导电性的理论，主要是基于“BCS（巴丁-库珀-徐瑞弗）-理论”的。BCS-理论认为：当一些电子的能量差异比晶格振动产生的声子的能量还要小时，电子之间的相互作用，会由于交换声子而呈现为吸引性。当这种吸引作用比相互排斥作用（因库仑屏蔽效应产生的）更大一些时，“库珀电子对”即可形成。亦即：超导相会因为电子-声子的耦合作用而容易形成。BCS-理论，对超导电性的研究工作，具有重要的指导意义。

　　本文依据二级相变的事实，从原子物理的角度，尝试探讨超导态的物理模型。

　　一、“库珀电子对”的形成机理：

　　实验已经证实：在超导状态下，导电粒子（作为一个导电载流子单元）的有效电荷为2e.这个事实表明：电子确实是以配对的形式参与导电的。

　　我们知道，在通常的温度下，原子是处于较高能量状态的，电子---作为导电粒子---是处于单粒子的激发状态的。由于位于晶格格点上的原子核的热振动是立体型的，它对电流通过时的散射阻碍作用是比较大的，因此，常温下材料的电阻率是比较大的，其电导率比较低，有些物体（如陶瓷）还呈现为绝缘体。

　　单就电子而言，研究表明：自由状态的电子（指相对于超导态而言。或称为激发状态的电子），其自旋状态有两种：正向自旋和反向自旋。在通常温度下（或通常状态下），由于电子本身的自由能比较高，电子如同一个陀螺一样在高速地旋转着，它自身的状态是比较稳定的，此时的库仑排斥作用占主导地位。因此，电子通常是以单个粒子状态参与导电的，而不是处于电子配对状态的。但是，当物体处在极低温度之下（T≤T）（T-即超导体相变的温度）时，情况会发生本质性的变化：由于电子和原子核是处在冬眠式的“冷冻状态”---总体的能量状态是很低的，原子自身的自由能是十分微小的，电子只有一部分小而微弱的自旋能。

　　就非超导体而言，它（尤其是陶瓷类材料）的导电性是很小的，几乎趋近于零。但是，对于本质上具有超导性的材料而言，由于它的晶体结构发生了严重的畸变---二级相变---形成了超导孪晶结构。因而一小部分晶格能量被释放出来（其能量单位是声子，ω），它将以格波的形式影响电子，并将能量传递给电子。当这种能量差异恰好等于两种类型自旋方向的能量差时，低能态的电子将吸收声子的能量ω，达到与高能态电子相同的能量水平。同时，它的动量也达到同一个量级。

　　当两个电子的角动量方向和自旋方向完全相反时，它们将处于相互吸引状态（严格的讲，它们之间的库仑相互排斥作用，远比其相互吸引作用小得多。）。这样，电子极易形成配对耦合的电子对--“库珀电子对”。

　　总之，“库珀电子对”，仅仅是在极低温度（T≤T）下并且同时发生超导相变（二级孪晶相变）的情况下，才能形成。这种电子配对状态，是一种低能量的束缚态。换句话说，“库珀电子对”，仅仅只能发生在超导物质及超导相变状态下。

　　二、超导孪晶的导电机理：

　　透射电子显微分析（TEM）已经观察到：在Y-Ba-Cu-O材料中，当发生超导相变时，孪晶结构大量存在（见Fig1）。

　　在通常温度下，这种氧化物陶瓷，整体处在高自由能状态，位于晶格格点处的原子核，具有较高的热振动自由能。在这种情况下，即使施加一个外加电场，其中的电子，一方面，它们自己处在单粒子的激发态（它们没有配对行为），其库仑排斥作用居支配地位；另一方面，由于原子核的三维热振动十分剧烈，因此，原子核对电子的散射作用非常强烈，即电流通过时的电阻率比较大，电导率基本上趋近于零。

　　但是，当温度接近于极低温度（T≤T）时，情况则会完全不同：电子和原子核基本上处于“冷冻状态”，库仑排斥作用居次要地位，而由相反的自旋方式所形成的相互吸引作用，则居主导地位，所以，配对电子容易形成。

　　此外，由于在晶格格点中发生了二级相变---形成了超导孪晶结构，其热容量和膨胀（或压缩）系数发生了突变。此時，如同在低溫狀态一样，晶格格点上的原子核基本上是不怎么振动的，因此，对定向运动的电子流来说，其散射作用基本上接近于零。而且，超导孪晶结构的形成，会导致晶格格点上所有的原子核，都沿着某一个方向规则地排列。这种板条形的孪晶结构，对定向移动的电子流而言，极易构成一个流通的“走廊”或导电的“隧道”。（见Fig.2和Fig.3）。

　　热振动散射的消失和孪晶“走廊”（或导电“隧道”）的形成，这是来自原子核方面对提高超导电性的两点重要的贡献。

　　三、结果与讨论：

　　综上所述，当T≤T时，在超导体材料中，会发生两方面的变化：其中的电子：—由于其自身运动的自由能的降低，而导致其由常温下平行自旋而形成的自身相互之间的排斥作用，比之由低温下相反自旋形成的相互之间的吸引作用，小了许多，因而，它们形成了“库珀电子对”；其中的原子核：--由于晶格格点上原子核热振动的散射作用趋于消失（由于极低温度下，材料整体上的自由能大大降低。

　　），以及晶体结构的二级超导相变，因此，超导体的孪晶结构，就构成了天然的导电“走廊”或“隧道”。总之，电子组合成“库珀电子对”，晶格形成孪晶“走廊”或“隧道”，正是由于这两方面的超导相变，使得氧化物陶瓷，---在通常温度下，它表现为绝缘体。---但是，在极低的温度范围内（T≤T），它会突变为电阻率极低（基本上趋近于零）的超导体，并且，其电导率是非常高的。根据这种理论，我们可以解释一些超导电方面的相关现象。

　　Fig.1超导体孪晶结构Fig.2通常温度下，电子在

　　的显微照片。导体中定向移动时的

　　散射机制。

　　Fig.3电子在超导态下的

　　高度定向运动：“库珀

　　电子对”与孪晶“走廊”。

　　参考文献

　　1 The superconductivity theory. Translated by ZHANGZu Shen ect., 1961, Peking: Science Press.

　　2 The exploration of high-temperature superconductivity theory. Chinese Academy of Sciences, CAO Xiao Ye, The light’s daily, 4, 25.（1994）。

　　3 The phase-change in a ceramics. XU Zu Yao. Chinese journal of materials research, vol. 8 No.1 （1994）。

　　710069 China）