為什麼超導體必須是冷的?

2021-02-08 我是科學家iScientist

物理學家表示，要回答這個問題，答案真的很長很長很長。

超導性表現為各種各樣的形式，每一種形式都有對應的解釋，儘可能簡單點的解釋就是：

在導體中，產生電阻的主要原因是移動的電子和電子通過的物質之間發生的動能交換。結果材料升溫，電子朝著各個方向移動，很難判斷它們到底要往哪個方向移動。事實上，電子在電流方向上的淨運動通常被稱為「漂移速度」。

備註：漂移速度(Drift Velocity)，是指一個粒子（例如電子）因為電場的關係而移動的平均速度。

能量交換使材料發熱，也讓電子的路徑變得隨機。

通過冷卻材料，敲擊電子往周圍移動的能量會減少，電子路徑更清晰，受到的阻力也更小。這只是為什麼冷卻會產生較少的電阻的一種觀點，但並沒有談到超導性。

顧名思義，量子力學是描述宇宙中的一切是如何量子化的（不是連續的）。被交換的能量必須是具有最小數量的分離（量化的）塊。如果材料足夠冷，那麼沒有足夠的熱能以達到最小的「塊」。因此，沒有能量從材料傳遞到電子，電子不會被碰撞，也不會遇到任何阻力。


圖為釔鋇銅氧化物（Yitrium-Barium-Copper-Oxide）在不同溫度下電阻的變化，這是第一個「高溫超導體。因為將釔鋇銅氧化物冷卻成為超導只需要使用液氮，成本很低，所以算是一個突破。

事實證明，許多材料只要被冷卻到一定的溫度都能成為超導體。水銀的樣品在被冷卻到4°K（- 452°F或- 269°C）時，偶然發現了其超導性。

最後值得注意的是，上面的答案是我能想出的最直觀的答案，但不是最準確的。更精確的理解涉及對數學和波動力學更深入的理解（電子更像是波而不是粒子，材料的作用更像波導而不是軟管）。

參考資料：

http://www.askamathematician.com/2010/01/q-why-do-superconductors-have-to-be-cold/


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