一文详解，带质子的金属超导现象

在“碳化硅和氮化镓的晶体结构”(Crystal Structure of Silicon Carbide and Gallium Nitride)一文中，我们简要讨论了固体的晶体结构。在该特定情况下，我们指的是半导体，但这些概念也很容易延伸至金属。众所周知，经过充分测试的电化学过程让金属得以通过氘(氢的一种重同位素)而“充电”(带电荷)。因此，研究这些晶格结构在低温极限下的行为并导入超导现象(superconductivity)的概念是非常有趣的。 wIbednc

超导现象简介

金属的电阻率是温度的递减函数。对于大多数金属来说，T→0时达到极限值，其中T是待研究样本的绝对温度。然而，在高于绝对零度以上的临界温度Tc时，有些金属的电阻率就会消失。wIbednc

1911 年，Kamerlingh Onnes 发现水银(汞)的临界温度Tc等于4.15K。在同一历史时期还发现了，锡的临界温度Tc等于3.72K，铝的临界温度Tc等于1.2K。然而，真正的转折点出现在1986年，人们发现镧、钡和铜的复合氧化物的临界温度为35K。wIbednc

BCS模型

BCS是Bardeen、Cooper和Schrieffer三位物理学家的缩写。他们阐述了超导现象模型，本文将对此进行简要解释。wIbednc

在金属中，电子构成一种特殊的“量子气体”，称为费米(Fermi)气体。电子是费米子，或半整数(具体为1/2)自旋粒子。在统计量子力学，理想的费米气体在低温下的行为是众所周知的。在此，所谓的理想是指气体粒子之间不存在相互作用。由于库仑(Coilomb)斥力，金属的传导电子的情况并非如此。然而，在零阶近似中，忽略这种相互作用是合理的，同时，统计量子力学返回了金属在导电性方面的行为——修正了旧的德鲁德(Drude)模型。wIbednc

在进一步的近似中，由于添加屏蔽电势而考虑了电子之间的相互作用，即单个电子“看到”的不是邻近电子的裸电荷，而是被其余电子和晶格离子屏蔽的电荷。这就产生了费米液体的概念，由于弱相互作用，费米液体不同于费米气体。我们还必须考虑电子自旋的影响。电子倾向于以自旋单态(即零自旋)结合。尽管电子-电子库仑力具有排斥性，但这种情况还是会发生。wIbednc

由此产生的电子对(Cooper对)在量子统计力学中被称为准粒子。粒子在物理上并不对应于这个实体。但是，它的行为可以用量子统计力学进行统计(和量子)描述。由此产生的物理系统是一种“理想量子气体”，因为单个粒子对之间的相互作用为零。它不是费米气体，而是玻色(Bose)气体，因为其成分的自旋为零(构成Cooper对的电子总自旋为零)。wIbednc

“玻色气体”一词指的是它的组成成分遵循玻色-爱因斯坦(Bose-Einstein)统计的事实，众所周知，对于玻色-爱因斯坦统计量，泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)是无效的，因而对于费米子(以及单个电子)也是无效的。由此可知，该系统表现出玻色-爱因斯坦凝聚现象：存在一个发生相变的临界温度Tc，在该温度下，宏观数量的Cooper对处于最低能量的基态。这种Cooper对产生了超电流，要解释其机理并不容易。打个比方，每对Cooper可以比作一对足球运动员，他们彼此不断传球，并设法躲避对方球员的擒抱，最终达到球门。在这个例子中，擒抱代表的是与晶格的碰撞，而球则是单电子的裸电荷。wIbednc

在金属中添加氘

让我们试着问自己：如果在金属中添加氘(重氢)会发生什么？我们知道，氘(D)是氢(H)的一种同位素：氢由一个质子p和一个电子e-组成，而氘核则由一个质子和一个中子n组成(图1)。wIbednc

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图1：H vs D。wIbednc

因此，我们有一个电子气体和一个质子气体。根据初步的粗略近似，我们可以认为这两种系统与np(质子浓度)解耦，并与ne(电子浓度)的数量级相同。如果所使用的金属是超导体，那么只要降低温度，就可以在Tc时过渡到超导状态，这要归功于Cooper对的形成，我们可以用下面的符号来表示Cooper对：wIbednc

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质子的自旋也是 1/2，因此它们的统计量与电子相同。然后，它们会受到库仑斥力的作用，并像电子一样趋向于完成自旋态，形成自旋单子，由于这种自旋单子它们"接近"产生类似Cooper对的东西：wIbednc

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然而，相较于电子，质子可以通过释放能量来发生“聚变”。因此，不能排除在极低的临界温度下释放能量的过程，这可以通过增加质子的浓度来实现。据推测，由于需要达到很低的温度，使得精确观察和重现这一过程极具挑战性。wIbednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Superconductivity of a metal charged with protons，由Susan Hong编译。)wIbednc