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浮在空中 《阿凡達》中懸浮山的奧秘

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關(guān)鍵詞: 阿凡達,超導(dǎo)體

      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(gòu)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于一座座懸浮在云端的哈利路亞山,山上爬滿粗壯的藤蔓,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(fā)生移動!

    浮在空中 《阿凡達》中懸浮山的奧秘

    科幻電影《阿凡達》中的哈利路亞懸浮山

      究竟是什么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(dǎo)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。那么,什么是超導(dǎo)材料?它為何有如此強大的磁懸浮力量?我們現(xiàn)實中的地球是否存在室溫超導(dǎo)體呢?

      什么是超導(dǎo)材料?超導(dǎo)磁懸浮的原理是什么?

      超導(dǎo),顧名思義就是超級導(dǎo)電的意思。超導(dǎo)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(dǎo)臨界溫度)的時候,超導(dǎo)材料的電阻會突然變?yōu)榱?,假如在超?dǎo)環(huán)中誘導(dǎo)出電流的話,電流將永久環(huán)流而幾乎不衰減,而且也不會有任何發(fā)熱現(xiàn)象。如果將超導(dǎo)體置于磁場環(huán)境下,超導(dǎo)感應(yīng)電流的存在將使超導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)磁場為零。這便是超導(dǎo)體的另一種特性——完全抗磁性。、

      超導(dǎo)體對外磁場的“抗拒”會產(chǎn)生作用力,同時磁場對超導(dǎo)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(dǎo)體置于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(dǎo)體懸浮在空中——這就是超導(dǎo)磁懸浮的原理。盡管懸浮現(xiàn)象在生活中比比皆是,但來自完全抗磁性的超導(dǎo)磁懸浮無疑是最強的懸浮力量之一。

    浮在空中 《阿凡達》中懸浮山的奧秘

      超導(dǎo)磁懸浮滑板

      超導(dǎo)材料具有如此奇特的物理性質(zhì),它們很罕見嗎?其實生活中處處都是超導(dǎo)材料,因為元素周期表中的大部分單質(zhì)金屬元素都是超導(dǎo)體,如鋁、鈣、錫、鉛等,一些非金屬材料在高壓下也是超導(dǎo)體,如硅、硫、磷等??墒巧钪袇s很少用到它們的超導(dǎo)特性,關(guān)鍵問題在于要實現(xiàn)超導(dǎo),就必須將溫度降到超導(dǎo)臨界溫度之下。遺憾的是,金屬單質(zhì)和合金超導(dǎo)體的臨界溫度都低得可憐。

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

    浮在空中 《阿凡達》中懸浮山的奧秘

    超導(dǎo)元素單質(zhì)

      超導(dǎo)體的零電阻和抗磁性讓人們對其應(yīng)用充滿渴望,因為它將大大節(jié)約電力傳輸和使用過程中的損耗、可以提供持續(xù)穩(wěn)定的強磁場、實現(xiàn)安全快捷的高速磁懸浮運輸?shù)鹊?。因此,尋找到更高超?dǎo)臨界溫度的超導(dǎo)體,乃至室溫(300K或25℃左右)下的超導(dǎo)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(xué)家巴丁、庫伯和施里弗成功建立理論解釋了傳統(tǒng)金屬單質(zhì)和合金中的超導(dǎo)現(xiàn)象。他們認為:實現(xiàn)超導(dǎo)的關(guān)鍵在于低溫下材料中的電子會“兩兩牽手配對”并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(xiàn)超級導(dǎo)電的目的。據(jù)此理論,人們預(yù)言超導(dǎo)臨界溫度將不可能超越40 K(-233℃),這個預(yù)言曾經(jīng)一度讓尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體之路陷入迷茫。

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      典型的超導(dǎo)材料

      人類離發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體有多遠?

      然而實驗物理學(xué)家并沒有放棄對更高轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)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(fā)現(xiàn)了35K(-238℃)的超導(dǎo)電性。隨后,華人科學(xué)家朱經(jīng)武、吳茂坤以及中國科學(xué)家趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)了具有93K(-180℃)超導(dǎo)的Y-Ba-Cu-O體系。最終,這類銅氧化物超導(dǎo)體最高臨界溫度提高到了165K(-108℃)附近,從而被稱為高溫超導(dǎo)體(這里的高溫,只是相對常規(guī)金屬超導(dǎo)體的低超導(dǎo)臨界溫度而言的)。

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

      如今,超導(dǎo)體的種類已經(jīng)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(zhì)形態(tài),似乎暗示“條條大路通超導(dǎo)”。隨著諸多新超導(dǎo)體的不斷涌現(xiàn),超導(dǎo)研究領(lǐng)域高潮迭起,人類對超導(dǎo)的不斷深入認識也極大地推進了現(xiàn)代基礎(chǔ)物理的前沿研究,人們對室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)更加充滿期待和厚望。從理論上,已經(jīng)預(yù)言在極端高壓下的氫元素將變成金屬態(tài),它就極可能是室溫超導(dǎo)體。從實驗上,人們在各種化學(xué)形態(tài)物質(zhì)開展深入探索和研究,已經(jīng)在尋找更高臨界溫度超導(dǎo)體積累了豐富的經(jīng)驗。

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

    (審核編輯: 小王子)

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