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      神奇的“超導(dǎo)”

      2023-05-16 04:30:15劉玉柱翟若宇
      知識(shí)就是力量 2023年5期
      關(guān)鍵詞:開爾文超導(dǎo)體原子核

      劉玉柱 翟若宇

      2023年3月,美國(guó)羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家朗加·迪亞斯宣布,發(fā)現(xiàn)了一種可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的全新材料。面對(duì)這一新發(fā)現(xiàn),有人表示,如果其結(jié)果能被復(fù)現(xiàn),那一定是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)級(jí)別的成就;也有人質(zhì)疑其結(jié)果的真實(shí)性,并用實(shí)驗(yàn)證明了其結(jié)果無法復(fù)現(xiàn)。

      雖然朗加·迪亞斯的新發(fā)現(xiàn)有待驗(yàn)證,但超導(dǎo)卻是一種令人著迷的物理現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體也是科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。那么,超導(dǎo)到底是什么呢?它有哪些應(yīng)用?讓我們一起來了解一下吧!

      ?磁場(chǎng)與超導(dǎo)體和木板示意圖

      超導(dǎo)體的超能力

      超導(dǎo)的英文為superconductivity,直譯為“超級(jí)導(dǎo)電”,指的是某一物質(zhì)在一定的溫度下(通常是低溫),電阻為零的狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中,若導(dǎo)體電阻的測(cè)量值低于10-25歐姆,則可以認(rèn)為電阻為零??茖W(xué)家把處于超導(dǎo)狀態(tài)的物體稱為超導(dǎo)體或者超導(dǎo)材料,把剛好達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)體的臨界溫度。

      在一些科學(xué)館里,有這樣的展品:一塊冒著白霧的金屬懸浮在磁鐵上。這塊金屬就是超導(dǎo)體,它的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫,所以會(huì)像雪糕一樣向周圍冒出白霧。

      超導(dǎo)體之所以能懸浮在磁鐵上,是因?yàn)樗赜械男再|(zhì)——抗磁性,即超導(dǎo)體能阻擋磁場(chǎng)穿過,使材料內(nèi)部沒有磁場(chǎng)。

      想象一下,在兩塊磁鐵中間放一塊木板,磁鐵依然可以吸在一起,這說明木板無法阻擋兩塊磁鐵之間的磁場(chǎng)。

      然而,超導(dǎo)體卻有著不同于木板的超能力——由于磁場(chǎng)無法穿過超導(dǎo)體,超導(dǎo)體和磁鐵之間會(huì)產(chǎn)生很大的斥力,這種斥力足以將超導(dǎo)體“托”起來,使它懸浮在磁鐵上。

      科學(xué)家利用超導(dǎo)體制造出了超導(dǎo)磁懸浮列車,列車在抗磁性的幫助下能穩(wěn)穩(wěn)地懸浮在磁鐵軌道上。由于列車不與軌道直接接觸,列車在運(yùn)行時(shí)不會(huì)受到摩擦力的阻礙,可以超高速運(yùn)行。目前,世界上最快的超導(dǎo)磁懸浮列車可以達(dá)到時(shí)速620千米。

      超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

      那么,人們是如何發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的呢?這要從人類掌握測(cè)量低溫的技術(shù)說起。1908年,荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在實(shí)驗(yàn)室中成功液化了氦氣(關(guān)于氦的內(nèi)容,見本期《嗨,氦!》),這使溫度的測(cè)量范圍大大延伸,達(dá)到4.2開爾文(零下268.95攝氏度)以下。

      在創(chuàng)造了極低溫的基礎(chǔ)上,昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度下降到4.15開爾文(零下269攝氏度)時(shí),金屬汞的直流電阻率突然變?yōu)橐粋€(gè)不可測(cè)量的極小量,這種新的熱力學(xué)平衡態(tài)被昂內(nèi)斯稱為超導(dǎo)態(tài)。昂內(nèi)斯也因發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)而獲得1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

      汞的電阻曲線

      在此后的幾十年間,新的超導(dǎo)體不斷被發(fā)現(xiàn),但它們的最高臨界溫度均低于零下13.15攝氏度。這使超導(dǎo)體在室溫下的應(yīng)用看起來遙遙無期,也讓室溫超導(dǎo)成為了無數(shù)科學(xué)家追求的目標(biāo)。

      讓“頑皮”的電子聽話

      目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體大都是晶體,為了更好地理解這背后的原理,我們可以把這些晶體導(dǎo)電的過程想象成一場(chǎng)游戲,一些同學(xué)扮演晶體中的原子核,另一些同學(xué)扮演自由電子。

      在非超導(dǎo)狀態(tài)下的晶體中,原子核同學(xué)就乖巧整齊地排列著,而晶體中的自由電子同學(xué)就在整齊的原子核同學(xué)構(gòu)成的隊(duì)列中隨意奔跑,由于自由電子同學(xué)奔跑的方向是隨機(jī)的,所以他們很容易就會(huì)撞到排列整齊的原子核同學(xué)身上。每一次碰撞之后,原子核同學(xué)就會(huì)被撞得搖搖晃晃(隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈),而自由電子同學(xué)的能量就會(huì)減少一部分。到最后,在碰撞中的自由電子同學(xué)只有很少一部分能跑出這個(gè)隊(duì)列(受到電阻),而原子核同學(xué)的熱運(yùn)動(dòng)在碰撞中變得更劇烈(發(fā)生熱效應(yīng))。這就是晶體中的電流熱效應(yīng)和電阻的成因。

      核磁共振

      而常規(guī)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài),意味著在極低溫時(shí),自由電子同學(xué)與原子核同學(xué)以一種“配合”的方式在隊(duì)列中運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)時(shí),自由電子同學(xué)很少碰撞到原子核同學(xué),因此也很少損失自身的能量,最后個(gè)個(gè)都跑出了隊(duì)列。

      1957年,美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗將這些想法整理成了一套完整的常規(guī)超導(dǎo)理論,后來被命名為BCS理論。BCS理論用于解釋常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象已經(jīng)游刃有余,但科學(xué)家對(duì)高溫超導(dǎo)理論機(jī)制的討論仍在繼續(xù)。希望有一天我們可以完全解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象,并將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

      應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)體

      超導(dǎo)體的一系列神奇特性意味著我們可以在一定溫度下穩(wěn)定地利用超導(dǎo)體。自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今,有關(guān)超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)體的研制迅速發(fā)展,超導(dǎo)的臨界溫度已從開始的幾開爾文升至幾十開爾文甚至100多開爾文,而且超導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚。

      除了前面提到的超導(dǎo)磁懸浮列車,超導(dǎo)體還有十分廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,核磁共振成像作為最常用的成像技術(shù)之一,可以直觀呈現(xiàn)人體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)學(xué)、腫瘤學(xué)和心血管學(xué)等方面。核磁共振成像需要一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),而超導(dǎo)電磁體就是核磁共振成像使用的強(qiáng)磁場(chǎng)源。

      在能源運(yùn)輸方面,超導(dǎo)體可用于輸電線路和配電裝置中,由于超導(dǎo)電線不會(huì)產(chǎn)生電阻,它可以降低能量損失,將電能輸送到更遠(yuǎn)的距離,提高能源運(yùn)輸效率和減少環(huán)境污染。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路,其元件間的連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作,解決了一般高速計(jì)算機(jī)所面臨的散熱難度大的問題,同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也得到了極大的提高。

      超導(dǎo)體還被應(yīng)用于制造電機(jī)、大功率電子器件等高科技設(shè)備,以及高靈敏度、高精度的儀器,例如精密測(cè)量?jī)x器、精密實(shí)驗(yàn)儀器等。此外,它還被應(yīng)用于高能物理學(xué)研究中的粒子加速器,例如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等,可以使研究者進(jìn)行更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)。

      未來,隨著研究人員對(duì)超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)的更進(jìn)一步探索,它的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴(kuò)大,我們有理由相信它會(huì)為我們的生產(chǎn)和生活帶來更多的便利和好處。

      歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

      知識(shí)拓展? 高溫超導(dǎo)

      高溫超導(dǎo),也被稱為非常規(guī)超導(dǎo),泛指所有無法被BCS理論解釋的超導(dǎo)現(xiàn)象。但這里的高溫并不是我們想象中的幾百幾千攝氏度的高溫,只是相對(duì)常規(guī)超導(dǎo)所需的超低溫高許多的溫度,在液態(tài)氮(常壓下為零下196攝氏度)的環(huán)境下就能產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。

      (責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游)

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