超導(dǎo)的屬性是幾乎沒(méi)有電阻,衍生屬性是抗磁性,而電阻是電子在定向流動(dòng)中遇到的阻礙,來(lái)源是電子對(duì)金屬陽(yáng)離子的碰撞。所以,超導(dǎo)的原因就是電子在定向流動(dòng)中所遭遇的碰撞次數(shù)、碰撞概率幾乎降為零。
那為什么普通導(dǎo)體會(huì)有大量碰撞?比如每秒鐘的碰撞次數(shù)10的15次方,那是因?yàn)榉肿印⒃拥臒徇\(yùn)動(dòng)。原子中心的原子核只占整個(gè)原子體積的幾千億分之一,其他地方除了電子以外沒(méi)有任何東西,空空如也,所以如果原子核不動(dòng),那么電子順利通過(guò),不碰到阻礙的概率極大。但是如果前方數(shù)以千億的原子核在不停飛舞晃動(dòng),那么電子被碰撞概率就大大增加了。這個(gè)不難理解。
這一點(diǎn)由最初的超導(dǎo)現(xiàn)象可以證明,當(dāng)汞的溫度降低到4k,接近絕對(duì)零度的時(shí)候,電阻就幾乎消失了,為什么?因?yàn)闇囟忍停拥臒徇\(yùn)動(dòng)大幅減少,幾乎不動(dòng)了。
一個(gè)相反的例子經(jīng)常出現(xiàn)在日常生活中,那就是銅絲脫落導(dǎo)線變細(xì)或者線頭接觸不良,就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線發(fā)熱、外皮燒焦甚至導(dǎo)線熔斷的現(xiàn)象。這是因?yàn)橥瑯訑?shù)量的電子相同時(shí)間內(nèi)擁擠著通過(guò)更小的導(dǎo)體截面積,勢(shì)必會(huì)增加碰撞次數(shù),這就像千軍萬(wàn)馬過(guò)獨(dú)木橋一樣。
所以,超導(dǎo)的本質(zhì)并不復(fù)雜,就是金屬陽(yáng)離子更準(zhǔn)確一點(diǎn)說(shuō)是原子核進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)、靜態(tài),導(dǎo)致其與電子的碰撞次數(shù)大大減少,電子定向移動(dòng)所遇到的阻礙大大減少,電阻趨向于零。這一點(diǎn)可以由超高壓超導(dǎo)體來(lái)佐證,比如將硫化氫的壓強(qiáng)提高到150萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓也可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),可以理解為將分子死死摁住,使其不能動(dòng)彈,由此進(jìn)入穩(wěn)態(tài)、靜態(tài)。
然而一個(gè)新的問(wèn)題又誕生了,從理論上來(lái)講,只有溫度低至絕對(duì)零度--0k,即零下273.15℃,原子才會(huì)停止熱運(yùn)動(dòng),進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài),那為什么汞原子沒(méi)到0k,在4.2k就變成超導(dǎo)?而且隨著不斷的實(shí)驗(yàn)探索,超導(dǎo)臨界溫度越來(lái)越高,這是怎么回事?
單質(zhì)的同種原子之間可以用范德華力來(lái)解釋,范德華力是指原子與原子之間、分子與分子之間的相互作用力。而對(duì)于化合物超導(dǎo)體來(lái)說(shuō),則是因?yàn)榉肿觾?nèi)部各個(gè)原子之間的相互作用力。
在這首先要明確一點(diǎn),即分子內(nèi)部各個(gè)原子之間一定是存在相互作用力的,一定有引力,使得各個(gè)原子在運(yùn)動(dòng)中不會(huì)落單、離隊(duì),保持一個(gè)整體而且是保持一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)。另外也有斥力,使得各個(gè)原子核不會(huì)吸引、碰撞、粘合,強(qiáng)化這一點(diǎn)是為了便于理解以下的內(nèi)容。正常情況下,原子或分子保持熱運(yùn)動(dòng),溫度越高熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。為便于理解,我們姑且把引發(fā)熱運(yùn)動(dòng)的力稱之為熱力(力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,這樣命名并不違背科學(xué)),通常情況下,熱力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各個(gè)原子之間的作用力。但是隨著溫度的降低,熱力隨之下降。
當(dāng)溫度低至某一閾值,分子內(nèi)部各原子之間的相互作用力超過(guò)了熱力,壓制了分子的熱運(yùn)動(dòng),各個(gè)原子相互錨定,使分子進(jìn)入了靜態(tài)、穩(wěn)態(tài),從而產(chǎn)生了超導(dǎo)現(xiàn)象。
基于此猜測(cè),實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體要滿足以下條件。
1.是分子質(zhì)量分布越勻稱越好,最起碼要各向?qū)ΨQ。
2.大質(zhì)量原子要靠近中心位置,越接近越好。
放兩張超導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)圖。一是鐵基超導(dǎo)化合物,比較勻稱。二是釔鋇銅氧化合物(92K),大原子居中,
要摸清超導(dǎo)的機(jī)制,未來(lái)的研究方向應(yīng)該基于原子核的電荷、質(zhì)量、間距、方向甚至推及核外電子排布等等諸多因素,建立模型,進(jìn)行大量運(yùn)算,繼而找出其中規(guī)律。其中最簡(jiǎn)單的推演案例便是雙層魔角石墨烯。
當(dāng)人們真正發(fā)掘出超導(dǎo)運(yùn)行的機(jī)理,或許可以由發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造新的高溫超導(dǎo)體,它未必能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到室溫級(jí)別,但它應(yīng)該遵循一個(gè)原則,即能夠在相對(duì)高溫下進(jìn)入靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)。