唯象理论，假定有一个超导电流密度, 超导电流密度到底怎么来并没有说明, 伦敦随后甚至也考虑了这个超导电流密度的起源，猜测是

伦敦兄弟提出了一个唯象理论，这个理论假定有一个超导电流密度。
学过电磁学的人都知道，电磁学(呵呵，就是电动力学)的精髓在於有了给定的电
流密度就可以算出磁场的空间分布，伦敦兄弟提出的这个理论就是想要定量地解
释迈斯纳效应。还记得迈斯纳效应么？超导内部无磁场穿透。如果导体内部有超
导电流密度，而解出的磁场在导体内部处处与外界磁场大小相等，方向相反，那
导体内部的总磁场就处处(几乎处处)为零，这就可以解释迈斯纳效应。称这个理
论为唯象，是因为它从超导体的磁现象入手，而对这个理论中的超导电流密度到
底怎么来并没有说明。伦敦随后甚至也考虑了这个超导电流密度的起源，猜测是
由量子力学波函数而来的。这个看法本身相当接近事实，只是伦敦没能把这些想
法正确地用数学表达出来，伦敦理论因此不算很成功

海纳百川 登录 | 登录并检查站内短信 | 个人设置 网站首页 |  论坛首页 |  博客 |  搜索 |  收藏夹 |  帮助 |  团队  | 注册  | RSS

主题: zt新语丝：走过超导之路(3)--早期超导理论探索- 元江（btw跳过看不懂的地方看还是好看）        海纳百川首页 -> 罕见奇谈 阅读上一个主题 :: 阅读下一个主题   作者 zt新语丝：走过超导之路(3)--早期超导理论探索- 元江（btw跳过看不懂的地方看还是好看）    葡萄皮 [个人文集] 加入时间: 2004/02/14 文章: 2537 经验值: 15133 标题: zt新语丝：走过超导之路(3)--早期超导理论探索- 元江（btw跳过看不懂的地方看还是好看） (201 reads)      时间: 2004-2-17 周二, 下午6:16 作者：葡萄皮 在 罕见奇谈 发贴, 来自 http://www.hjclub.info 所有跟贴·加跟贴·新语丝论坛精华区http://www.xys.org/cgi-bin/mainpage0.pl -------------------------------------------------------------------------------- 送交者: 元江 于 September 20, 2003 20:14:00: 走过超导之路(3)--早期超导理论探索 元江 先对上一个帖子做点补充。讲到超导的这几个里程碑实验和先驱人物，有些是名 实相符的，如完全导电性和完全抗磁性。有些是可以商榷的，如热力学相变的确 定和宏观量子力学。对於前者，当时做过比热测定的人应该不少，只是没有能够 系统地，令人信服地作出结论，到基萨母这里才算一站；对於后者，其实加埃佛 在做隧道实验时已有约瑟夫森效应的出现，只是加埃佛专心于隧道实验数据的解 释而把表征约瑟夫森效应的实验数据说成是杂质干扰(！！！)，这个遗漏成全了 约瑟夫森的诺贝尔奖。 早期的超导理论落后于实验事实很久，第一个理论的出现要到1934年。据镜子网 友提示，老库的实验室有很长一段时间垄断了低温技术，从1908-1923年，我依稀 记得在哪里读到过这样的说法，如果有网友知道可以补充出帖。 这第一个理论称之为歌特-卡西米欧理论。它的要旨是说在一块超导体内电子可在 两种电流状态下存在。当温度高于Tc时，所有电子都在正常态，当温度下降到 Tc时，部分电子进入超导态--这就形成了无阻电流，当温度到达绝对零度时所有 的导电电子都进入超导态。这个理论基本就是给了一个说法，难以有可验证的结 论。 在下一年，伦敦兄弟提出了一个唯象理论，这个理论假定有一个超导电流密度。 学过电磁学的人都知道，电磁学(呵呵，就是电动力学)的精髓在於有了给定的电 流密度就可以算出磁场的空间分布，伦敦兄弟提出的这个理论就是想要定量地解 释迈斯纳效应。还记得迈斯纳效应么？超导内部无磁场穿透。如果导体内部有超 导电流密度，而解出的磁场在导体内部处处与外界磁场大小相等，方向相反，那 导体内部的总磁场就处处(几乎处处)为零，这就可以解释迈斯纳效应。称这个理 论为唯象，是因为它从超导体的磁现象入手，而对这个理论中的超导电流密度到 底怎么来并没有说明。伦敦随后甚至也考虑了这个超导电流密度的起源，猜测是 由量子力学波函数而来的。这个看法本身相当接近事实，只是伦敦没能把这些想 法正确地用数学表达出来，伦敦理论因此不算很成功。 也是在1937年左右，朗道从超导的热力学现象着手提出了一个唯象理论。这个理 论后来被改造成应用很广泛的金茨伯格-朗道理论。这里我想插点题外话。为了写 这些帖子，我用上了“孤狗学”，在许多讲超导的网站上，我发现朗道的理论以 及原苏联的一些理论被提得很少，基本上是BCS理论包打了天下。这与我几年前 在网上看到的情形有相当的不同，有些资料甚至在讲到第二类超导体时都不提朗 道和阿布利科索夫的名字，真是“天上掉下个第二类”。比如这个网站 http://superconductors.org/。 朗道的这个理论认为导体的超导和正常态都为稳定的热力学状态，所以都处於自 由能极小的状态。当导体从正常态向超导态转变时，导体作为一个热力学体系经 历了从正常态的自由能极小向超导态的自由能极小值的“逐渐过渡”(连续的)， 这个“逐渐过渡”意味着二级相变。学过一点热力学的人都知道，一个热力学体 系是由一些参量来描述的(如体积，磁场等)，而自由能的表达式就由参量来表示。 但是我们知道，超导可以在无外加磁场下发生，超导也不涉及体积的变化。朗道 的说法是有一个“序参量”，Ψ，这个“序参量”在正常态时为零，进入超导态 时从零开始逐渐增长。这个“序参量”实际上具有量子力学波函数的特徵，我猜 想朗道当时也与伦敦一样认为超导实际上是量子力学的起源，只是不知道如何论 证而已(就是今天也难以清楚地论证)，因此利用已知的实验现象，塞进了一点私 货。 在很多书中，都把朗道写出这个自由能表达式称为“天才的直觉”，我在很长的 一段时间内也是无条件地接受这个讲法。只是到了后来，自己做了一些工作后对 这个说法有点怀疑起来了。因为我发觉，朗道的这个理论包括三个要点，第一个 是“序参量”的选取有量子力学波函数的特徵，这一点我已经讲了，做这样猜测 的并不是朗道一个人；第二点是这个自由能表达式，ΔF= -α|Ψ|^2+β|Ψ|^4，只 要把Ψ换成x，它的吓人外表就去掉了，每个人都可以试试，一个x^4减去一个 x^2是会产生两个新的极小值的，而α，β的不确定，正好可以用来容纳温度的变 化，使这个自由能可以在温度达到Tc时产生上述新的极小值；最后一点是要给这 个自由能一个合理的说法，朗道号称这是自由能对|Ψ|作泰勒展开后取前两个偶 次项。我最初的怀疑即从此而来，因为朗道的理论是不可重整化的，也就是讲， 如果的确把它看作是取近似，那么丢掉的是“无穷大”。由这些怀疑，我就有了 点不臣之心，嘻嘻，这也是天才，那也是天才，那我们这些不是天才的还要不要 活了？：-)至少我们也可以追踪朗道的思路，虽然朗道当时不一定这样想。 在结束早期超导理论的介绍以前，我还要提一下匹派理论。嘿嘿，提是不提，不 提是提。提这个理论是为了以后有一大堆东西都不必再提了。在超导的书中，有 很多关于物理长度的讨论。这些长度可以归为两类，相干长度和穿透深度。什么 意思啊？这个相干长度就是匹派理论的东西，它说在导体内一点处电子发生的超 导转变与这个电子周围一定长度范围内的电子有关系。(就象小苦在沉心斋的长哭 当歌与哈蚂在虹桥科教的叫声有关系。：-))这个穿透深度呢是指迈斯纳效应发生 时磁场要在导体表面一个薄层内降为零，这个薄层的“特徵”厚度叫做穿透深度。 超导里关于这些长度的讨论很繁琐，要理解也很伤脑筋。我把它们排除掉是因为 以后我要讲的是真正解出导体内的超导波函数和磁场，那种复杂的形状根本就不 是一两个长度能准确描述的，因此，把这些长度与物理联系的结果基本上就是瞎 子摸象。 和和，这一段大家看累了吧？我来揭个宝盅，给学士以上水平的网友提提神：-) 蚁民兄对一个成功的超导理论表示怀疑，我先给出思路。 找到一个量子力学方程，解出波函数，用波函数构造电流密度，通过电流密度用 麦克斯维方程解出导体内部磁场，把这个磁场对导体求空间平均就得到宏观磁场， 由此宏观磁场可求热力学自由能。呵呵，电，磁，热，三者通吃了吧？ 作者：葡萄皮 在 罕见奇谈 发贴, 来自 http://www.hjclub.info 返回顶端 显示文章: 所有文章1天7天2周1个月3个月6个月1年 时间顺序时间逆序           海纳百川首页 -> 罕见奇谈 所有的时间均为 北京时间   论坛转跳:  选择一个论坛 海纳百川讨论区　→ 驴鸣镇　　→ 驴鸣镇旧贴　→ 罕见奇谈　　→ 民间智库　→ 众议院　→ 寒山小径　→ 虚拟法庭　→ 英雄本色   您不能在本论坛发表新主题 您不能在本论坛回复主题 您不能在本论坛编辑自己的文章 您不能在本论坛删除自己的文章 您不能在本论坛发表投票 您不能在这个论坛添加附件 您不能在这个论坛下载文件 based on phpbb, All rights reserved.

[ Page generation time: 0.246019 seconds ] :: [ 24 queries excuted ] :: [ GZIP compression enabled ]

唯象模型建立：开启非常规超导大门

发布时间: 2015-01-15 10:54 来源: 材料人网

 

       这是一重电子超导体的相图。在区域Ⅰ，由于f轨道重电子磁矩与轨道导电电子完全杂化，因此，只有巡回重电子才能在TL以下存在；在区域Ⅱ，由于集体杂化不完全以致重电子与部分杂化的局部磁矩共存；在区域Ⅲ，，这些残余磁矩在TN作用下以反铁磁方式排列，残存的重电子在更低的温度（Tc）下变得具有超导性。重电子与源于QCP的磁自旋波动偶合造成了各区域的超导性。

 

超导或许是重要的突现量子效应的前沿案例。它发现于1911年，但此后近半个世纪一直缺乏对它的理论解释。1957年，John Bardeen，Leon Cooper，和 John Robert Schrieffe建立了一种后来名为BCS理论的微观理论，该理论将超导性描述为一种使库珀对束缚成类玻色子态的微观效应。BCS理论解释了大家所熟知的常规超导效应：声子给金属提供配对胶质物（最近受到争议），该物质导致强引力准粒子的相互作用，这种相互作用使得金属具备超导性。（声子是晶格振动的能量量子，准粒子是材料中的移动电子或孔洞，它们都是对元激发的量化。）

 

一如继往，历史证明了先前理论的不完善：与常规超导体有着不同配对胶体和配对固体对称性的非常规超导体于20世纪80年代被发现。尽管它的出现有理论和实验依据，即电子自旋波动给非常规超导体提供配对胶体，但其基本模型仍然让人难以捉摸。不过，最近北京中国科学院和Santa Fe研究院的科学家提出了一个模型，该模型以自旋波动引起的准粒子相互作用的有效范围和强度这样一种简单模型为基础，形式类似于用于重电子材料的超导转变温度Tc基于实验现象的BSC表达式，反映了重电子常态的特殊性质-----在此状态下电子随着自旋失去磁性而获得质量，引发超导性。

 

David Pines教授谈到他跟Yi-feng Yang教授在《全国科学院学报》上发表的这篇论文（他和Yang教授于2007年开始合作，此后Pines作为他们合作的发言人，他们一共一起写了9篇论文）时，对我们说道：我们面临的基本挑战是探索一个新的领域。非常规超导体的超导性基于自旋波动机制，所以我们要研究能否通过在现象水平上给它建立一种类似于BCS的表达式，使自旋波动引起的超导性更好理解。（在科学领域，唯象论是指与理论一致但并非由理论推出的对现象的经验主义观测所得到的知识）。Pines还说科学家决定从重电子开始着手，因为他们是纯理论的；他们特殊的常态效应及Tc随压力的变化科学家已经仔细研究过了；而且，不同于铜氧化物，反铁磁自旋波动提供配对胶体导致超导性，这已是普遍共识。

 

科学家们在使用自旋波动引起的准粒子相互作用的有效范围和强度这样一种简单模型及反映重电子常态（超导在此态产生）的特殊性质，来为重电子材料的Tc建立一种类BCS方程遇到了几个困难，前一个问题研究人员正 力图给可测压力引起的CeCoIn5和CeRhIn5这种非常规超导的所谓重费密子超导氢原子的Tc变化提供定量的解释。解释那种变化对于任何超导拟建模型的成功意义重大，所以我们很开心可以通过进一步给一个指定材料作具体说明以解释那种变化：在某个能量范围内，量子临界自旋波动作用是相互吸引的。此范围在压力pL下必须与它的凝聚温度T*成比例，此压力下温度最大值为Tc。

 

 

其次，他们的模型预测其他重电子量子临界超导体随压力有类似变化。“一个好的模型或理论不仅要能解释之前的实验，还要有预测能力。”Pines指出：“因此，我们的BCS型的表达式接下来所面临的关键考验在于它预测在其他重电子材料中测Tc随压力变化时会得到一个拱顶状图形，其Tc最大值出现在局部正常化 开始时的压力。

 

关键性的进一步的检验，Pines继续说道，在于这个模型能用一个简单参数来量化Tc的变化。“材敏参数用于衡量引发超导的自旋波动相互作用引力的相对效力，在指定压力下，材敏参数固定了，那么在其他压力下，我们的超导转变温度的类BCS表达式中就没有自由参数了。

 

为解决这些问题，Pines指出为大量重电子化合物产生正确比热的双液体模型对于理解重电子常态下的特殊性质及其超导性都很重要。“双液模型为 T*温度时重电子效应的出现提供了一个简单有效的现象模型，包括由重电子密度引起的比热随温度的变化。”Pines解释道：“它还使我们发现随T*发生的普遍缩放现象。对单离子近藤效应的仔细测量显示， T*的物理起源是相邻局部磁矩间的相互作用，这些局部磁矩与背景传导电子的协同杂化造成了常态下重电子效应的突现。”（近藤效应描述的导电电子在金属中由于单一磁性杂质而产生散射，导致电阻率随温度发生奇特的变化。）

 

科学家认定，在CeCoIn5的例子中，在微观强耦合计算中发现的有效吸引力相互作用的变换范围常接近他们提出的现象模型。“这个对比对检验现象模型很重要。”Pines说道：“在推导过程中，我们从铜氧化合物的自旋引起的超导性的微观强偶合计算中预测结果。在铜氧化合物中，我们发现BCS型表达式可以很好地用参数反映重电子的数值结果。”

 

Pines说，在（或接近）最佳掺杂水平及Tc下，可以观察到铜氧化物和其他非常规超导体的自旋-点阵驰豫率的缩放。现象学方法能否推广到他们上是一个很有趣也很重要的问题，我们目前正努力找答案。对于铜氧化合物，可以用能使其确定在最佳掺杂时的吸引作用的范围的强偶合微观计算和核磁共振（NMR）来指导。（在NMR中，原子核在磁场中吸收并重新发射电磁辐射。）更不明朗的是随不同状态不同密度而变化的掺杂及偶合强度，它们会修补实验看到的拱顶结构。我们发现我们可以这样来选择产生这种结构，但希望能在常态下在磁性性质上把直观的现象学与实验联系起来，这项工作仍在进展中。

 

Pines告诉我们，科学家们现在正在进行两个项目：将他们处理量子临界自旋引起的重电子材料超导的现象学方法推广到铜氧化合物中，以及-在今后与剑桥大学的Gilbert Lonzarich的进一步合作中，写一个关于重电子物理基本概念的看法，并探索为什么给近藤晶格材料中重电子的突现和后续行为建立一个微观理论这么难。

 

“我们处理重电子材料突现效应的现象学方法很成功，这可以为建立那种效应的微观理论开辟道路。”Pines总结道：“它还为解决在其他密切相关磁电材料中发现的由突然效应引起的重大问题提供了案例：首先，用实验为向导，建立一个包含了造成那种效应的组织原则与实验相一致的模型；然后，设计并解