超導的屬性是幾乎沒有電阻,衍生屬性是抗磁性,而電阻是電子在定向流動中遇到的阻礙,來源是電子對金屬陽離子的碰撞。所以,超導的原因就是電子在定向流動中所遭遇的碰撞次數、碰撞概率幾乎降為零。
那為什么普通導體會有大量碰撞?比如每秒鐘的碰撞次數10的15次方,那是因為分子、原子的熱運動。原子中心的原子核只占整個原子體積的幾千億分之一,其他地方除了電子以外沒有任何東西,空空如也,所以如果原子核不動,那么電子順利通過,不碰到阻礙的概率極大。但是如果前方數以千億的原子核在不停飛舞晃動,那么電子被碰撞概率就大大增加了。這個不難理解。
這一點由最初的超導現象可以證明,當汞的溫度降低到4k,接近絕對零度的時候,電阻就幾乎消失了,為什么?因為溫度太低,汞原子的熱運動大幅減少,幾乎不動了。
一個相反的例子經常出現在日常生活中,那就是銅絲脫落導線變細或者線頭接觸不良,就會出現導線發熱、外皮燒焦甚至導線熔斷的現象。這是因為同樣數量的電子相同時間內擁擠著通過更小的導體截面積,勢必會增加碰撞次數,這就像千軍萬馬過獨木橋一樣。
所以,超導的本質并不復雜,就是金屬陽離子更準確一點說是原子核進入了穩態、靜態,導致其與電子的碰撞次數大大減少,電子定向移動所遇到的阻礙大大減少,電阻趨向于零。這一點可以由超高壓超導體來佐證,比如將硫化氫的壓強提高到150萬個標準大氣壓也可以實現超導,可以理解為將分子死死摁住,使其不能動彈,由此進入穩態、靜態。
然而一個新的問題又誕生了,從理論上來講,只有溫度低至絕對零度--0k,即零下273.15℃,原子才會停止熱運動,進入靜止狀態,那為什么汞原子沒到0k,在4.2k就變成超導?而且隨著不斷的實驗探索,超導臨界溫度越來越高,這是怎么回事?
單質的同種原子之間可以用范德華力來解釋,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。而對于化合物超導體來說,則是因為分子內部各個原子之間的相互作用力。
在這首先要明確一點,即分子內部各個原子之間一定是存在相互作用力的,一定有引力,使得各個原子在運動中不會落單、離隊,保持一個整體而且是保持一個特定的結構。另外也有斥力,使得各個原子核不會吸引、碰撞、粘合,強化這一點是為了便于理解以下的內容。正常情況下,原子或分子保持熱運動,溫度越高熱運動越劇烈。為便于理解,我們姑且把引發熱運動的力稱之為熱力(力是改變物體運動狀態的原因,這樣命名并不違背科學),通常情況下,熱力要遠遠大于各個原子之間的作用力。但是隨著溫度的降低,熱力隨之下降。
當溫度低至某一閾值,分子內部各原子之間的相互作用力超過了熱力,壓制了分子的熱運動,各個原子相互錨定,使分子進入了靜態、穩態,從而產生了超導現象。
基于此猜測,實現超導體要滿足以下條件。
1.是分子質量分布越勻稱越好,最起碼要各向對稱。
2.大質量原子要靠近中心位置,越接近越好。
放兩張超導化合物的結構圖。一是鐵基超導化合物,比較勻稱。二是釔鋇銅氧化合物(92K),大原子居中,
要摸清超導的機制,未來的研究方向應該基于原子核的電荷、質量、間距、方向甚至推及核外電子排布等等諸多因素,建立模型,進行大量運算,繼而找出其中規律。其中最簡單的推演案例便是雙層魔角石墨烯。
當人們真正發掘出超導運行的機理,或許可以由發現新的高溫超導體轉變為創造新的高溫超導體,它未必能在短時間內達到室溫級別,但它應該遵循一個原則,即能夠在相對高溫下進入靜態、穩態。