作为一名物理专业本科生,在科学魔术表演和开放日活动中表演了三年,我通过悬浮一块小立方体磁铁,让学生(有时甚至是他们的父母)相信我是某种魔术师。磁铁悬浮在超导体上方仅一厘米左右,但这已经足够在两者之间挥舞一张纸,以证明实际上没有任何线连接。轻敲立方体的一个边缘使其原地旋转,即使您向下推磁铁,它也会坚定地弹回原位——如果它没有这样做,则意味着超导体需要更冷。
这个有科学依据的魔法的简单配方是:用少许液氮冷却放在泡沫塑料盆中的陶瓷超导体,以及一块由稀土元素制成的产生强永久磁场的磁铁。
悬浮之所以有效,归功于超导性,这可以通过电导率的基本原理来理解。某些元素和材料,恰如其分地称为导体,充当导电通道,这意味着电子可以相对容易地通过它们。这些电子仍然会撞击构成导体的原子,并在每次碰撞中损失少量能量。但是,当冷却到足够低的温度时,电子可以自由地流过导体,而不会发生任何碰撞。这是因为电子在极低温度下会配对(而热量会破坏它们之间脆弱的键)。虽然它们的键很弱,但数量上有优势:配对使得通常会从电子流中吸取能量的碰撞没有影响,因为碰撞比电子的键弱。
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超导体的临界温度——使其能够发生配对所需的温度有多低——取决于其材料。例如,金属超导体,如纯铝或铌,具有极低的临界温度,通常仅比绝对零度高几度。然而,除非您碰巧有很多液氦,否则在家用实验中使用其中一种超导体是不可行的。(液氦在 4.2 开尔文或约 -270 摄氏度时沸腾,仅比绝对零度低几度)。幸运的是,还有一种替代方案:高温超导体,这是一种由多种元素制成的陶瓷,允许电子在略高于大多数临界温度的温度下自由流动。
77 K(约 -196 摄氏度)看起来不像热带地区的一天,但在超导体的世界里,这已经非常温暖了。这也是液氮(比液氦更容易获得)沸腾的温度。对于大多数高温陶瓷超导体,例如由钇钡铜氧化物 (YBCO) 或铋锶钙铜氧化物 (BSCCO) 制成的超导体,可以使用液氮将其冷却到低于其临界温度。
现在我们手头有了拼图的两块:高温超导体和足够的液氮来保持其冷却。但是我们如何使磁铁悬浮在冷却的超导体之上呢?(或者反过来:在我们在 Richard Garriott 的视频中,他使冷却的超导体悬浮在稀土磁铁床上。)
量子磁悬浮归结为一种称为迈斯纳效应的现象,这种效应仅在材料足够冷以表现得像超导体时才会发生。在正常温度下,磁场可以正常穿过材料。然而,一旦它足够冷以表现出超导性,这些磁场就会被排出。 任何正在穿过的磁场都必须绕过它。当磁铁放置在临界温度下的超导体上方时,超导体通过像具有相同极性的磁铁一样排斥其磁场,从而导致磁铁排斥,即“悬浮”——无需任何魔术般的障眼法。