证明存在常温超导(室温超导)材料

证明存在常温超导（室温超导）材料

作者：冯美良

1什么是超导

超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10的负25次方Ω，可以认为电阻为零。超导体具有三个临界参数：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。当超导体同时处于三个临界条件内时，才显示出超导性。在本文发表以前所发现的超导材料全部都是低于零度。

2超导的机理

BCS理论

BCS理论是以近自由电子模型为基础，以弱电子－声子相互作用为前提建立的理论。理论的提出者是巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。

BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。

BCS理论很好地从微观上解释了第一类超导体存在的原因，理论的提出者巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年诺贝尔物理学奖。但BCS理论无法解释第二类超导体存在的原因，尤其是根据BCS理论得出的麦克米兰极限温度（超导体的临界转变温度不能高于40K），早已被第二类超导体突破。

GL理论

GL理论是在朗道二级相变理论的基础上提出的唯象理论。理论的提出者是京茨堡（Ginzburg）、朗道（Landau）。

GL理论的提出是基于以下考虑：当外界磁场强度接近超导体的临近磁场强度时，超导体的电流不服从线性规律，且超导体的零点振动能不可忽略。

GL理论的最大贡献在于预见了第二类超导体的存在。从GL理论出发，可以引出表面能κ的概念。当超导体的表面能κ大于1/开平方2 时，为第一类超导体；当超导体的表面能κ小于1/开平方2 时，为第二类超导体。

3超导与抗磁性

超导体具有三个基本特性：完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。完全导电性不解析，这里着重解析抗磁性，还有后文会谈谈通量量子化的问题。

完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。

超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键

4抗磁性的原理

为了研究超导的抗磁性，我们先要了解什么是抗磁性。

抗磁性（diamagnetism）是指一种弱磁性。组成物质的原子中，运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性。外加磁场使电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗为很小的负值（10－5—10－6量级）。因此，所有物质都具有抗磁性。抗磁性的本质是电磁感应定律的反映。外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生了一个附加磁矩，磁矩的方向与外磁场方向相反。在磁场作用下，电子围绕原子核的运动是和没有磁场时的运动一样，但同时叠加了一项轨道平面绕磁场方向的进动，即拉莫尔进动。[2] 大多数物质的抗磁性被其顺磁性所掩盖，只有一小部分物质表现出抗磁性。惰性气体原子表现出的抗磁性可直接测量。一些离子的抗磁性只能从其他测量结果中推算得到。这些物质的k抗的绝对值与原子序数Z成正比，并与外层电子的轨道半径的平方成正比，与温度的变化无关，称为正常抗磁性。少数材料（如Bi，Sb）的k抗比较大（可达10－4—10－3量级），随温度上升变化较快，称为反常抗磁性。早年曾用Bi做测量磁场的传感器材料。金属中自由电子也具有抗磁性，并与温度无关，称朗道抗磁性。但因其绝对值为其顺磁性的1/3，始终被掩盖不易测量。在特殊条件下，金属的抗磁性随磁场的变化有振荡特征，称为德哈斯－范阿尔文效应，是费米面测量的重要方法。超导体中有超导电流时，存在迈斯纳效应时具有很强的抗磁性，其抗磁磁导率为－4π。

这里可以深刻的理解正常抗磁性物质是依赖于原子分子内的电子运动的，不与温度变化相关。

而反常抗磁性的物质的异常抗磁性来自于哪里呢。根据电磁学说。对应的抗磁性必然有其对应的电流。超导的抗磁性来自于其超导电流。当磁铁靠近超导体时，超导体感应出与之相反的电流，因为电阻为零，所以电流一直流动，表现为完全抗磁性。如果是一般导体这电流则会因此电阻而快速转换为热量，失去完全抗磁的特征。

那么我们可以重点分析这些反常抗磁性的材料。看看这些材料异常的根本原因。

5常温反常抗磁性材料的分析

高抗磁材料

材料单位Xv（×10^-5）

超导-10^5

热解石墨-40.9

铋-16.6

水银-2.9

金刚石-2.1

铅-1.8

石墨-1.6

铜-1.0

水-0.91

我们从最小的水开始分析，由于纯水并不导电，其抗磁性来自于其分子原子的内部电流。属于正常抗磁性。

但是从铜到超导之间的材料，都与超导相关。铜系超导，碳系超导，铅系超导，汞系超导和铋系超导。这是巧合还是有内在的关系。

尤其除碳之外具有共性的是，铜铅汞铋的氧化物陶瓷超导。而碳系超导的则与构型有关（可以自行了解魔角相关的资料）这里就很值得人深思了。

6推导铜铅汞铋材高温超导和常温异常抗磁性

那么我们可以假设，按照正常抗磁性物质是由内部原子分子的电子轨道产生的，那么这些异常抗磁性材料的反常抗磁性电流是从哪里来的。

假设是自由电子构成的电流，根据之前超导抗磁性的原理，以上四种材料均是有电阻的。故此金属之间的自由电子构成的抗磁性电流的假设是不合理的。那么可以推测的是，在某些部分在原子之外，金属之内存在抗磁性电流。当思考到这里的时候就不得不考虑到金属的晶格缺陷和杂质。因为到现在为止金属冶炼的过程中，就连最纯的金都无法排除杂质。而其中最重要的一种杂质成分正是氧。氧气充满在我们身边的大气中，在金属氧化还原过程中，根据化学动态平衡，也是不可能完全排除氧的存在。而以上四种材料均有氧化物的超导材料。那么可以大胆推测，在这些材料的金属内部，存在这样的金属氧化物杂质成分构成的晶格缺陷。而异常抗磁性电流，正是在这些晶格中产生。而且是完全抗磁性的。正是这些占极为少数的完全抗磁性缺陷带来异常的抗磁性。那么根据如此的推论，可以猜测缺陷越多抗磁性越