作為一名物理專業本科生,在科學魔術表演和開放日活動中表演了三年,我透過懸浮一塊小立方體磁鐵,讓學生(有時甚至是他們的父母)相信我是某種魔術師。磁鐵懸浮在超導體上方僅一釐米左右,但這已經足夠在兩者之間揮舞一張紙,以證明實際上沒有任何線連線。輕敲立方體的一個邊緣使其原地旋轉,即使您向下推磁鐵,它也會堅定地彈回原位——如果它沒有這樣做,則意味著超導體需要更冷。
這個有科學依據的魔法的簡單配方是:用少許液氮冷卻放在泡沫塑膠盆中的陶瓷超導體,以及一塊由稀土元素製成的產生強永久磁場的磁鐵。
懸浮之所以有效,歸功於超導性,這可以透過電導率的基本原理來理解。某些元素和材料,恰如其分地稱為導體,充當導電通道,這意味著電子可以相對容易地透過它們。這些電子仍然會撞擊構成導體的原子,並在每次碰撞中損失少量能量。但是,當冷卻到足夠低的溫度時,電子可以自由地流過導體,而不會發生任何碰撞。這是因為電子在極低溫度下會配對(而熱量會破壞它們之間脆弱的鍵)。雖然它們的鍵很弱,但數量上有優勢:配對使得通常會從電子流中吸取能量的碰撞沒有影響,因為碰撞比電子的鍵弱。
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超導體的臨界溫度——使其能夠發生配對所需的溫度有多低——取決於其材料。例如,金屬超導體,如純鋁或鈮,具有極低的臨界溫度,通常僅比絕對零度高几度。然而,除非您碰巧有很多液氦,否則在家用實驗中使用其中一種超導體是不可行的。(液氦在 4.2 開爾文或約 -270 攝氏度時沸騰,僅比絕對零度低幾度)。幸運的是,還有一種替代方案:高溫超導體,這是一種由多種元素製成的陶瓷,允許電子在略高於大多數臨界溫度的溫度下自由流動。
77 K(約 -196 攝氏度)看起來不像熱帶地區的一天,但在超導體的世界裡,這已經非常溫暖了。這也是液氮(比液氦更容易獲得)沸騰的溫度。對於大多數高溫陶瓷超導體,例如由釔鋇銅氧化物 (YBCO) 或鉍鍶鈣銅氧化物 (BSCCO) 製成的超導體,可以使用液氮將其冷卻到低於其臨界溫度。
現在我們手頭有了拼圖的兩塊:高溫超導體和足夠的液氮來保持其冷卻。但是我們如何使磁鐵懸浮在冷卻的超導體之上呢?(或者反過來:在我們在 Richard Garriott 的影片中,他使冷卻的超導體懸浮在稀土磁鐵床上。)
量子磁懸浮歸結為一種稱為邁斯納效應的現象,這種效應僅在材料足夠冷以表現得像超導體時才會發生。在正常溫度下,磁場可以正常穿過材料。然而,一旦它足夠冷以表現出超導性,這些磁場就會被排出。 任何正在穿過的磁場都必須繞過它。當磁鐵放置在臨界溫度下的超導體上方時,超導體透過像具有相同極性的磁鐵一樣排斥其磁場,從而導致磁鐵排斥,即“懸浮”——無需任何魔術般的障眼法。
