不让分子运动(超低温导致的),只让电子运动,是不是超导现象的微观本质?

不让分子运动(超低温导致的),只让电子运动,是不是超导现象的微观本质? 我的猜想。


由网友 飞贼克斯和康德马特 提供的答案:

楼主说对了一半。

先纠正一下,应该是超低温不让原子热振动,只让电子运动。

实际上 ,在超导发现之前,开尔文就猜想,金属的电阻随温度降低而下降,主要就是因为原子的热振动在不断减弱,电子的运动受到的干扰越来越小,所以导电性越来越好。但如果降低到足够低的温度,电子会不会也被“冻住”,电子的运动也会变慢,电阻反而上升呢?这个猜想从经典物理的角度来看,似乎没毛病。但是从量子物理的角度来看,却是不完全正确的,满壳层的原子算是玻色子,原子确实可以在低温下能量集体降低,但是电子是费米子,它服从费米狄拉克统计,所有的电子不会因为低温而降低到同一个最低能量组态,反而是因为能量高低形成能带分布,在最高能量处形成费米面。换句话说,在极低温下,电子依旧是在不断运动的。既然如此,随着温度的降低,那么原子热振动越来越弱,电子依旧在不停奔跑,是不是导电能力就会无穷大,电阻为零呢?答案也不尽然。因为材料内部是难以避免杂质和缺陷的,它们会对电子造成固有的散射,也会造成电阻,这就是金属具有低温剩余电阻率的原因。正是如此,昂尼斯才试图在杂质缺陷最少的汞金属中去探寻低温电阻行为,试图找到零电阻效应。奇怪的是,零电阻效应并不需要降低到绝对零温,而是在4.2K就出现了,这就是超导。后来,人们陆续发现了上万种超导体,其临界温度已经突破了125 K。这就不能简单用原子热振动降低到几乎为零来理解了。

超导体的零电阻,关键在参与导电的电子们,他们形成了两两配对,所谓超导库伯对。配对的电子动量大小相同、方向相反,自旋方向可以相反也可以相同。正是因为电子配对了,在成对运动过程中,一旦其中一个电子受到能量损失,另一个电子就会受到能量增加,中心能量保持不变。那么整体来说,就是无阻碍的运动。另一个关键在于,配对的电子是一个稳定组态,要打破这个状态,需要付出一定的能量代价。所以零电阻的超导态即使在有限温度下,依旧可以存在。

最后,超导状态确实大都需要低温,当然低温下原子热振动小是一个原因,还有一个原因是超导态实际上是一种宏观量子态,需要在低温下才能体现出来,温度的增加会让量子态不稳定,破坏超导。目前,科学家正在积极努力寻找室温下超导的材料——室温超导体,如果发现,将会突破人类认知和创造崭新材料世界。


由网友 手机用户3503570243 提供的答案:

超导现象是宏观的量子现象,是一个量子系统的整体行为。超导之所以需要低温是因为热运动会破坏量子系统的一致性。 量子系统的整体行为不能用粒子动力学来理解,也就是说不存在什么“微观”本质,传统的动力学和还原论是错误的。


由网友 Wuxiao亮 提供的答案:

你故意把超导和低温超导混为一谈了,超导也有高温超导,甚至在常温附近也有超导现象。和低温无关,更谈不上本质。超导无非就是电子迁移率达到最大,阻抗几乎为零,温度只是一个实现这种结果的条件之一而已

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