《阿凡達》懸浮山奧秘:超導磁懸浮

  科幻電影《阿凡達》不僅僅給我們帶來了3D的震撼視覺享受,也為我們構想出了一個奇幻美麗的潘多拉世界。其中最令人難忘的場景莫過於一座座懸浮在雲端的哈利路亞山,山上爬滿粗壯的籐蔓,還有壁掛飛天的瀑布和神秘的大鳥,神奇的哈利路亞懸浮山還時常在空中發生移動!

  科幻電影《阿凡達》中的哈利路亞懸浮山

  科幻電影《阿凡達》不僅僅給我們帶來了3D的震撼視覺享受,也為我們構想出了一個奇幻美麗的潘多拉世界。其中最令人難忘的場景莫過於一座座懸浮在雲端的哈利路亞山,山上爬滿粗壯的籐蔓,還有壁掛飛天的瀑布和神秘的大鳥,神奇的哈利路亞懸浮山還時常在空中發生移動!

  究竟是什麼神秘的力量能夠懸空“托起”這一座座大山呢?電影中解釋道,是因為山中蘊藏著一種叫做“Unobtanium”的神奇室溫超導礦石,它借助母樹附近的強大磁場懸托起了哈利路亞山。為了掠奪這種奇珍異寶,瘋狂的人類甚至不惜一切代價欲摧毀那威人的家園。那麼,什麼是超導材料?它為何有如此強大的磁懸浮力量?我們現實中的地球是否存在室溫超導體呢?

  什麼是超導材料?超導磁懸浮的原理是什麼?

  超導,顧名思義就是超級導電的意思。超導材料具有許多獨特的電、磁、熱等物理特性,其中最典型的就是當降到足夠低溫度(該溫度點稱作超導臨界溫度)的時候,超導材料的電阻會突然變為零,假如在超導環中誘導出電流的話,電流將永久環流而幾乎不衰減,而且也不會有任何發熱現象。如果將超導體置於磁場環境下,超導感應電流的存在將使超導體內自動形成一個如“金鐘罩”、“鐵布衫”一樣的屏蔽磁場,這有效抵消了外界磁場,導致超導體內磁場為零。這便是超導體的另一種特性——完全抗磁性。

  超導體對外磁場的“抗拒”會產生作用力,同時磁場對超導體也存在反作用力,而且越靠近磁體,該作用力增加得越多,因此將超導體置於磁場上方的合適高度就可以達到抗磁力與重力的平衡,從而把超導體懸浮在空中——這就是超導磁懸浮的原理。儘管懸浮現象在生活中比比皆是,但來自完全抗磁性的超導磁懸浮無疑是最強的懸浮力量之一,一塊見方大小的超導板甚至可以懸浮起重量級的相撲選手。

  超導材料具有如此奇特的物理性質,它們很罕見嗎?其實生活中處處都是超導材料,因為元素週期表中的大部分單質金屬元素都是超導體,如鋁、鈣、錫、鉛等,一些非金屬材料在高壓下也是超導體,如硅、硫、磷等。可是生活中卻很少用到它們的超導特性,關鍵問題在於要實現超導,就必須將溫度降到超導臨界溫度之下。遺憾的是,金屬單質和合金超導體的臨界溫度都低得可憐。

  例如1911年發現的第一個超導體——金屬汞的臨界溫度在4K(熱力學溫標,相當於-269℃)左右,可以說它已經接近宇宙中的最低溫度——絕對零度0K(-273℃),直到1986年以前,科學家發現的最高臨界溫度的超導體是Nb3Ge ,也僅為23K(-250℃)。要達到如此低的溫度,用空調、冰箱來製冷是絕對不行的(它們頂多到-100℃左右),這需要依賴昂貴的液氦(稀有氣體)來製冷,就算在科研實驗中也存在諸多局限,更何況大規模應用到生活中。

  超導體的零電阻和抗磁性讓人們對其應用充滿渴望,因為它將大大節約電力傳輸和使用過程中的損耗、可以提供持續穩定的強磁場、實現安全快捷的高速磁懸浮運輸等等。因此,尋找到更高超導臨界溫度的超導體,乃至室溫(300K或25℃左右)下的超導材料,勢必將對人類未來的生活帶來翻天覆地的革新。1957年,物理學家巴丁、庫伯和施裡弗成功建立理論解釋了傳統金屬單質和合金中的超導現象。他們認為:實現超導的關鍵在於低溫下材料中的電子會“兩兩牽手配對”並且所有電子對能夠和諧一致地運動,從而相互抵消了各自運動過程的能量損耗而實現超級導電的目的。據此理論,人們預言超導臨界溫度將不可能超越40 K(-233℃),這個預言曾經一度讓尋找更高臨界溫度的超導體之路陷入迷茫。

  人類離發現室溫超導體有多遠?

  然而實驗物理學家並沒有放棄對更高轉變溫度超導體的探索。功夫不負有心人,1986年,IBM的工程師柏諾茲和穆勒在La-Ba-Cu-O陶瓷材料中發現了35K(-238℃)的超導電性。隨後,華人科學家朱經武、吳茂坤以及中國科學家趙忠賢等人發現了具有93K(-180℃)超導的Y-Ba-Cu-O體系。最終,這類銅氧化物超導體最高臨界溫度提高到了165K(-108℃)附近,從而被稱為高溫超導體(這裡的高溫,只是相對常規金屬超導體的低超導臨界溫度而言的)。

  高溫超導體的臨界溫度邁入了液氮溫區,大大降低的研究和應用成本。然而,高臨界溫度只是超導應用中的重要指標之一,為大規模應用,超導材料還需要具有良好的可塑性和承載大電流的本領等,為尋找到更多更適合應用的超導材料,科學家加快了超導探索的腳步,陸續發現了許多超導新家族。例如:2001年,日本科學家發現臨界溫度高達39K的MgB2超導體;2008年,日、中、美、德等多國科學家在鐵砷族化合物中發現55K以上的超導電性,這類超導體被稱為鐵基超導體,是個極其龐大的家族。

  如今,超導體的種類已經覆蓋各種金屬、合金、非金屬化合物、氧化物,乃至有機物等多種物質形態,似乎暗示“條條大路通超導”。隨著諸多新超導體的不斷湧現,超導研究領域高潮迭起,人類對超導的不斷深入認識也極大地推進了現代基礎物理的前沿研究,人們對室溫超導體的發現更加充滿期待和厚望。從理論上,已經預言在極端高壓下的氫元素將變成金屬態,它就極可能是室溫超導體。從實驗上,人們在各種化學形態物質開展深入探索和研究,已經在尋找更高臨界溫度超導體積累了豐富的經驗。

 

  相信在不久的將來,只要我們不斷努力前行,現實中的哈利路亞山——室溫超導體也許不再是夢想。到那時,你或許可以用超導磁懸浮技術在雲彩之中練瑜伽或在懸空的“白雲”沙發上酣睡,那是何等地愜意和美妙!





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