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神奇的超導(dǎo)【圖片版】
羅會(huì)仟
2012年07月06日
設(shè)想的中國(guó)超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。
目前世界上只有德國(guó)擁有超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)技術(shù)，而且尚未推廣使用。中國(guó)在上海有一條通往浦東機(jī)場(chǎng)的常導(dǎo)磁懸浮試運(yùn)營(yíng)線，西南交通大學(xué)有一輛超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)列車(chē)。隨著中國(guó)高鐵建設(shè)的發(fā)展，超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)也是將來(lái)可能采用的列車(chē)之一。
超導(dǎo)磁懸浮的原理是利用了超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）：進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，外部磁場(chǎng)的磁通線將被排出超導(dǎo)體外，因此當(dāng)磁體靠近超導(dǎo)體時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的排斥力，當(dāng)排斥力和重力抵消就實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮。
圖中看到的超導(dǎo)磁懸浮都是采用了高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧（屬于第二類(lèi)超導(dǎo)體），通過(guò)液氮冷卻到超導(dǎo)臨界溫度以下，上方的小磁鐵就可以懸浮起來(lái)了。
超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)：超導(dǎo)體進(jìn)入超態(tài)后，外部磁場(chǎng)磁通線將被完全排出。
由于水具有一定的抗磁性，處于強(qiáng)磁場(chǎng)中的生物如青蛙、老鼠等都可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)磁懸浮。若要實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁懸浮，就必須借助完全抗磁的超導(dǎo)體。像日本相撲選手這樣的體重，只要超導(dǎo)材料足夠大，是可以懸浮在磁平臺(tái)上的。
單質(zhì)超導(dǎo)元素：紅色為常壓下體超導(dǎo)的單質(zhì)元素，綠色為高壓下超導(dǎo)的單質(zhì)元素，黃色為特殊形態(tài)（如薄膜或納米管）下的超導(dǎo)元素。
各種超導(dǎo)材料的外觀形態(tài)
新材料探索就像在費(fèi)米海中釣魚(yú)。固體材料內(nèi)部的電子體系構(gòu)成了“費(fèi)米?！?，這些電子的可能組態(tài)決定了材料的宏觀性質(zhì)。當(dāng)你試圖用魚(yú)鉤釣到超導(dǎo)體的同時(shí)，其他“魚(yú)類(lèi)”（材料）也可能被你找到。于是在新材料探索中，總是充滿驚喜和收獲！
？圖下從左到右依次對(duì)應(yīng)的材料為：超導(dǎo)、非傳統(tǒng)和傳統(tǒng)的近藤系統(tǒng)、準(zhǔn)晶、Stoner系統(tǒng)、局域磁矩材料.(Nature Physics 4, 167 - 169 (2008) )？
前蘇聯(lián)科學(xué)家金茲堡和朗道建立的G-L超導(dǎo)唯象理論認(rèn)為：外磁場(chǎng)并不是完全不可以進(jìn)入超導(dǎo)體，實(shí)際上它穿透進(jìn)入了超導(dǎo)體的表面。即使在超導(dǎo)臨界溫度以下，如果外磁場(chǎng)足夠強(qiáng)， 那么它也可以完全進(jìn)入超導(dǎo)體而徹底破壞超導(dǎo)態(tài)，即恢復(fù)到正常態(tài)。采用磁光技術(shù)，我們可以直接觀測(cè)到磁通線是如何隨著磁場(chǎng)的增加逐漸穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部中去的。圖中樹(shù)枝狀即為已經(jīng)進(jìn)入超導(dǎo)體的磁通線，點(diǎn)狀為有序排列的量子化磁通。
巴丁、庫(kù)伯、施隸弗三人成功建立的傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體的微觀理論——BCS理論。該理論突破了傳統(tǒng)的單電子理論，對(duì)超導(dǎo)的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。至今其中許多概念如Cooper對(duì)、能隙、相位相干等都還適用。BCS理論還被粒子物理和天文物理學(xué)家所借用，形成了許多新的理論體系。
