1. 引言
超导现象自1911年被发现以来，其微观机制一直是凝聚态物理研究的核心问题。传统BCS (Bardeen、Cooper、Schrieffer) 理论基于声子介导的电子配对机制，解释了常规超导体的特性，但对高温超导及特殊材料体系的适用性存在局限 [1]。本研究提出一种新的理论框架，通过电磁波模型与量子化时空单元的结合，系统阐述低温下电子凝聚与库珀对形成的物理过程，为超导机制提供补充性解释 [2]。
2. 模型构建
2.1 电磁波模型
基于时空量子化假设，时空由正元子与反元子构成，元子是构成时空结构的最小单位，行为满足量子规律，通常与反元子配对，形成时空的基本构件，二者通过元子力形成螺旋状结构（图1）。该结构与DNA双螺旋类似，能够稳定传播电磁波[5]。还可以解释实验观察到的真空量子涨落。数学上，电磁波的传播方程可表示为：
式中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，J为电流密度。
2.2 电子与反电子生成
当伽玛射线通过原子核时，核力导致电磁分离，形成闭合电性驻波（电子）与闭合磁性驻波（反电子）（图2）。与电子借助元子的湮灭过程相反。驻波的数学表达式为：
其中，A为振幅，E为能量，p为动量。
2.3 库珀对与波色-爱因斯坦凝聚
在临界温度以下，电子通过交换虚声子形成自旋相反的库珀对（图3）。由于库珀对具有整数自旋，符合玻色子统计特性，可发生波色-爱因斯坦凝聚，占据同一量子态[7]。其波函数为：
式中，∅为相对运动波函数，q为质心动量。
3. 结果与讨论
3.1 超导体内部磁通量分析
电子波借助元子（晶格）形成的库珀电子对具有玻色子特性，使其运动不产生净磁场，导致超导体内部磁通量为零（图4），也不产生净电场，导致超导体内部电阻为零[6]。根据麦克斯韦方程：
超导体呈现完全抗磁性（迈斯纳效应）与超导特性[3]。
3.2 能量守恒验证
理论推导表明，超导体排开的磁场能量与重力势能相等：
超导体的重力势能Wg=mgh
超导体磁场能量W=(BHV)/2
则有W=Wg
则有(BHV)/2=mgh （8）
式中，W表示磁场能量，V表示体积，B代表磁感应强度，H代表磁场强度，Wg表示重力势能，m表示质量，g表示重力加速度，h表示高度，该结果为超导体的能量守恒提供了定量依据[4]。 解释了磁悬浮形成的本质。
3.3 与BCS理论的对比
本研究模型强调电磁波结构对电子配对的直接影响，而BCS理论依赖声子作用。二者在低温超导中具有一致性，但本模型可扩展至强关联电子体系。基于元子（晶格）的电磁波模型等效于虚声子（原子）晶格作用模型。 便于用来指导高温超导磁聚焦透镜等新型材料的设计。
4. 结论
通过电磁波模型与库珀对理论的结合，系统解释了超导体的零电阻与完全抗磁性。未来研究可进一步探索时空量子化在高临界温度超导材料中的应用[8]。构建量子传感器磁聚焦透镜的同时，进一步验证理论公式，数值模拟与实验观察的一致性。
图1 电磁波的双螺旋结构模型
Fig. 1. Double-Helix Model for the Structure of Electromagnetic Waves
图2 伽玛射线与原子核作用生成电子与反电子
Fig. 2. The Generation of Electrons and Positrons through the Interaction between Gamma Rays and Atomic Nuclei
图3 库珀对的玻色子特性示意图
Fig. 3. Bosonic Nature of Cooper Pairs
图4 超导体内部磁通量分布
Fig. 4. Internal Flux of Superconductor
参考文献
[1] J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, "Theory of superconductivity," Phys. Rev., vol. 108, no. 5, pp. 1175-1204, Dec. 1957.
[2] A. Einstein, "Quantentheorie des einatomigen idealen Gases," Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss., no. 1, pp. 261-267, 1924.
[3] M. Tinkham, Introduction to Superconductivity. Mineola, NY: Dover, 2004.
[4] Y.-H. Zhang, Superconductivity Physics. Hefei, China: Univ. Sci. Technol. China Press, 2009.
[5] F. Dalfovo, S. Giorgini, L. P. Pitaevskii, and S. Stringari, "Theory of Bose-Einstein condensation in trapped gases," Rev. Mod. Phys., vol. 71, no. 3, pp. 463-512, Apr. 1999.
[6] X.-G. Wen, Quantum Field Theory of Many-Body Systems: From the Origin of Sound to an Origin of Light and Electrons. Oxford, U.K.: Oxford Univ. Press, 2004.
[7] A. J. Leggett, "Diatomic molecules and Cooper pairs," in Modern Trends in the Theory of Condensed Matter. Berlin: Springer, 1980, pp. 13-27.
[8] T. Hashimoto, Y. Ota, K. Okazaki, S. Wakimoto, T. Shimojima, and S. Shin, "Bose-Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state," Sci. Adv., vol. 6, no. 42, p. eabb9052, Oct. 2020, doi: 10.1126/sciadv.abb9052.
