超导陶瓷之三

1. 超导理论

自开始超导材料研究以来，对超导机理也进行了长期的探索研究，提出了许多理论。1911年翁纳斯提出了超导临界电流的概念。1926年西尔斯比提出了超导临界磁场的概念。1933年荷兰物理学家迈斯纳和奥森尔德发现了超导体具有完全抗磁效应。1933年琪琛和高特提出了超导性的热力学理论。1935年伦敦兄弟提出了超导体的电动力学理论。1937年发现了超导体的居间态，1949年C.T.Gorter 发表了超导的二流体理论。1950年Z.Maxwell等发现了超导体的同位素效应。1950年伦敦首先提出了超导态是一种宏观量子效应，1950年皮伯德提出了相干长度的概念。1954年库柏提出了超导体中的电子对（库柏电子）的概念。1956年施里弗提出了超导性的著名BCS理论（即电－声子理论）。1962年研究生约瑟夫逊在其毕业论文中提出了存在超导电子对隧道效应的著名预言，这个效应也叫约瑟夫逊隧道效应（Josephson Tunneling Effect)。除此之外，还有其他理论，在此不列举。

在这些理论中最有影响的是超导热力学理论、BCS理论和 约瑟夫逊效应等。约瑟夫逊 效应 是指在两块弱连接超导体之间存在着相位相关的隧道电流。这些理论解释了一些超导现象。

（1） 电－声子理论

电－声子理论主要包括BCS理论和强耦合理论。

①BCS理论

主要指只要有吸引力存在，粒子就可以形成束缚态，能量会降低为更加稳定的超导态，在电子能谱中就要出现一个能隙。BCS理论通过隙方程解出了Tc。

BCS理论能成功地给出一个超导能隙，并能得出：超导态电子比热随温度按指数规律减少，在Tc附近发生了二级相变，出现零电阻；及迈斯纳效应、磁场穿透现象、超导隧道效应等结果，并且基本上与实验结果符合，因而获得了很大的成功。BCS理论还成功地预言了约瑟夫逊效应的存在。

BCS理论本质上是一种弱耦合理论。

②强耦合理论

这是对BCS理论的修正。通过实验发现理论与实验之间存在着差异，T.就是最突出的例子。这是因为金属中的电子之间的相互作用是极其复杂的：有电子间的库仑作用，自旋－自旋耦合作用、磁相互作用、自旋－轨道作用和电子－晶体松动（声子）作用等。这是由于在BCS理论的推导过程中，使用了“单电子状态”概念。这个概念在耦合强度较大时是不符合实际的。1960年爱利希伯针对这种情况，进行了补充修正，并且导出了适合它的一组十分复杂的积分方程式。

（2）激子型机制

激子型超导体先是由利特尔（Little)提出的，后来金兹布尔格提出了二维激子型机制，巴子等人又提出了ABB激子模型。这种ABB激子模型是一种金属－半导体结构，其超导机制为：在金属中因电－声子机理而配对的电子对，通过隧道作用透入到半导体中，在此经过交换电子－空穴对的虚过程而形成新的电子对，从而有利于Tc的提高。理论计算表明，激子型超导体的Tc可达到100K以上。

(3)等离子体机制

主要用等离子体来研究在二维和三维简单的载流子系统中产生超导性，尤其是在d和s电子的过渡金属、半金属和有电子－空穴对系统的半导体中。对一个有库仑力相互作用的简单的载流子，可以分为两部分组成：其一为集体电场，其二为通过短程的屏蔽库仑力相互作用与集体电场作用的单粒子。当一个单粒子激发出一个等离子体时，则产生一个振荡的内电场，并吸引另外一个单粒子，结果两个粒子之间将会出现相互吸引的最高Tc。

（4）电子－空穴对模型

这种模型结构是由两片半导体组成，一片是空穴型有一片是电子型，中间夹有一层很薄的绝缘层（有时没有）而构成层状体。空穴和电子通过库仑引力作用产生了电子-空穴对，这种电流是双向传输的。因为库仑引力是长程作用，粒子之间的作用较强，可以预计这种超导体的Tc可达100K以上。

应用上述模型，从理论上计算了能隙的产生，提出了检验超导性的办法。但在实践中一直未能实现这种结构。原因是由于在这种模型中，电子-空穴对的载流子中所遇的杂质必然会压倒系统中的有序，因为它使电子－空穴向各个方向散射，从而使配对破坏。如果中性杂质浓度大时，也会压倒配对作用。因此，这就对半导体样品的纯度提出了很高的要求，这与电－声子机制中电子对对非磁性杂质和结构缺陷不敏感是不大相同的。