[论文解读] Pair production and ionizing radiation from superconductors

J. E. Hirsch|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2005

Superconducting Materials and Applications参考文献 39被引用 4

一句话总结

本文提出，在空穴超导理论中，超导体若大于临界尺寸，由于宏观电荷分离，可发生真实的电子-正电子对产生，导致释放高达0.511 MeV的电离辐射。该效应源于相对论性电子动力学与宏观量子相干性，预测产生高频辐射，若该理论正确，可能带来潜在健康风险。

ABSTRACT

We show that an alternative theory of superconductivity recently proposed (theory of hole superconductivity) leads to the surprising consequence that real electron-positron pair production will occur for superconductors larger than a critical size. High frequency radiation with frequencies up to $0.511MeV/\hbar$ is predicted to be emitted from superconductors out of equilibrium. Attention to the possibility of harmful consequences is called for.

研究动机与目标

• 通过识别与传统BCS-London理论不共享的独特、可检验的预测，检验空穴超导理论的可行性。
• 研究超导体中宏观电荷分离是否可导致类似于超临界原子的电子-正电子对产生。
• 探讨超导态中宏观量子相干性与相对论效应对于高能现象的含义。
• 评估若空穴超导理论正确，超导体释放的电离辐射可能带来的潜在健康风险。

提出的方法

• 基于空穴超导理论，本文将超导体建模为具有表面过剩负电荷与内部正电荷的宏观系统，类比于巨型原子。
• 应用相对论量子力学，推导出电子在正电荷核心中电势能达2m_e c^2的临界半径R_c，从而实现对产生。
• 该模型利用伦敦穿透深度λ_L与凝聚能ε，计算临界半径R_c = λ_L (6m_e c^2 / 5ε)^1/2。
• 本文分析超导基态中的自旋电流，预测其衰减可发射高达0.511 MeV/ħ的高频辐射。
• 类比狄拉克的空穴理论与超临界原子，其中Z > 137或Z > 172会导致自发对产生。
• 分析将BCS波函数扩展至包含不同粒子数态的叠加，认为在空穴超导框架下此为物理上所必需。

实验结果

研究问题

• RQ1 大于临界尺寸的超导体是否可因宏观电荷分离而表现出真实的电子-正电子对产生？
• RQ2 空穴超导理论是否预测超导体可发射高达0.511 MeV/ħ频率的电离辐射？
• RQ3 在超导球体中，对产生在热力学上变得有利的临界半径R_c是多少？
• RQ4 超导体中宏观量子相干性如何使μeV量级的配对能产生MeV量级的现象？
• RQ5 在空穴超导模型下，BCS波函数包含不同粒子数态叠加具有何种含义？

主要发现

• 推导出临界半径R_c = λ_L (6m_e c^2 / 5ε)^1/2，当超导体尺寸超过此值时，电子-正电子对产生在能量上变得有利。
• 该理论预测，非平衡状态下的超导体因自旋电流衰减与对湮灭，可发射高达0.511 MeV/ħ的高频辐射。
• 若空穴超导理论正确，对产生与湮灭所释放的电离辐射可能构成健康风险。
• 该模型表明，在空穴超导理论下，BCS波函数必须包含不同粒子数态的叠加，方能保持物理一致性。
• 本文认为，由于宏观相干性，超导态可将微小的局域能量转化为大尺度的相对论效应与高能现象。
• 该理论暗示，超导体可表现出类似‘巨型原子’的行为，具有宏观尺度的电荷不对称性，从而实现通常仅在极端天体物理条件下才可观测的现象。