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以理想周期势场为基础的超导原理的探索 ——共有化自由能带假说 刘朝建 重庆金阳物业公司，重庆南坪（400060） E-mail：liuchaojiann@ 摘要: 共有化自由能带假说将经典能带理论——理想周期势场作为超导模型,由理想周期势场理论推导得到的布洛赫电子与超导电子都具有零电阻、电子配对、不负载熵、呈凝聚态的相同物理特征，而且理想周期势场也符合长程有序的物理条件。本文是将超导状态视为经典量子状态，而常规状态视为非经典量子状态，划分的物理标志就是电子配对的产生和破坏。电子配对是经典量子理论（泡利不相容原理）的典型物理图景，与经典的电——声作用机制的BCS理论相比，将理想周期势场作为超导模型，在理论上更为成熟、可信。其次，本文提出的超导原理建立在原子与原子之间能级的稳定叠加基础上，不仅适合于常规超导体，也有利于化合物、高温超导体的认识，在理论上更为普适。第三，本文以能级的稳定叠加为前提，以经典固体理论为基础，对同位素效应、热容跃变等现象也作出了相对合理的解释。同样，超导的零电阻、电子配对、不负载熵、呈凝聚态的物理特征也可以看成是对经典能带理论——理想周期势场理论的最佳验证。在温度极低，晶格（或离子实）振动很小的情况下，是有可能产生原子与原子之间能级的稳定叠加，有可能产生符合理想周期势场的物理环境和条件。因此，将理想周期势场作为超导模型的共有化自由能带假说是有相当的现实和理论的根据的。 关键词：理想周期势场 能级的稳定叠加 同位素效应 热容跃变 中图分类号：0511 1．引言 超导尤其是高温超导的导电机制一直是物理学研究、探索的前沿课题，目前比较流行的、成熟的、以电——声作用机制的BCS理论虽然对低温常规金属超导现象和效应作出了一定程度上的合理解释，但是经典BCS理论给出的超导的临界温度不超过30——40K的物理结论与高温超导的发展趋势存在根本上的矛盾。越来越多的实验和迹象表明，BCS理论需要进一步的完善和改进，甚至需要对超导的导电机制进行重新认识。物质的导电性能与物质的原子的波函数在空间上的相互叠加形成的能带结构存在密切的联系，绝缘体、半导体、导体的导电性能的区别就来自于原子的能带结构的差异。因此，从能带结构的角度去认识超导的导电机制无疑是一种有益的尝试，而本文正是从这一角度去探索超导的导电机制 2.物理模型 在温度T=0K时，金属晶体离子实的热振动接近为零，某些金属原子的最外层能级——费米能级之间在空间上相互叠加形成为原子与原子之间所共有的新的能级，由于金属晶体离子实在空间上的有序排列，这些新的能级有可能首尾相联，形成如图1-1阴影所示的连续、相互贯通、长程有序的，为原子系统所共有的能级走廊——共有化自由能带。 1-1 由于共有化自由能带是由两个束缚势能大小相等、方向相反的能级叠加产生的，因此在共有化自由能带中的自由电子所受原子束缚力的大小相等、方向相反，其合力为零，不再受原子束缚力的作用而绕原子核运动。而成为可以在共有化自由能带中自由“漂移”的，为原子系统所共有的自由电子——共有化自由电子。 共有化自由电子在共有化自由能带的运动完全可以用经典能带理论——理想周期势场理论模型描述、模拟。由理想周期势场理论的量子力学推导〔1〕不难得到：共有化自由电子是布洛赫电子，在共有化自由能带中以布洛赫波的形式运动，在新的量子态——布洛赫态凝集。在布洛赫凝集态中共有化自由电子同样应遵循泡利不相容原理。因此，在共有化自由能带中，共有化自由电子必然是由自旋相反的电子配对构成的，是遵循经典量子理论——泡利不相容原理的必然结果。从理想周期势场理论中还不难得到布洛赫电子还具有零电阻〔1〕、不负载熵、呈凝聚态的物理特性。因此，从以理想周期势场理论为基础的共有化自由能带假说出发，某些金属晶体的共有化自由电子在温度T=0k时将可能呈现出的零电阻、电子配对、不负载熵、呈凝聚态的物理特征。这与现实中金属超导体在低温超导状态下所表现的物理现象是一至的，因此，以理想周期势场理论为超导模型的共有化自由能带假说是有现实和理论依据的。本文将超导电子的配对和凝聚视为超导电子遵循经典量子力学规律的必然结果，而不是产生超导的根源。 金属超导体在正常态时，其自由价电子的运动并不遵循电子配对、凝聚、有序的的经典量子力学规律，而是无规则的、杂乱无章的自由电子的热运动，产生这种现象的根源是在正常态时，自由价电子与离子实的热振动相互作用，使自由价电子的配对、凝聚遭到破坏的必然结果。随着温度的下降，金属离子实的热振动减弱，自由价电子与离子实的相互作用也将减弱，自由价电子也将有无规则的自由热运动向经典量子力学规律回归。正如一本超导教材所言〔2〕：超导电性是由一组电子在低于时凝集成一类新的高度有序的量子态。而事实上，超导电子并没有表现出有异于经典量子力学理论——理想周期势场理论所描