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揭阿凡达"空中仙山"奥秘 超导磁悬浮造幻想生活

http://www.kexue.com 2013-08-01 09:18:44 科学网  发表评论


科幻电影《阿凡达》中的哈利路亚悬浮山

超导磁悬浮

  科幻电影《阿凡达》不仅仅给我们带来了3D的震撼视觉享受,也为我们构想出了一个奇幻美丽的潘多拉世界。其中最令人难忘的场景莫过于一座座悬浮在云端的哈利路亚山,山上爬满粗壮的藤蔓,还有壁挂飞天的瀑布和神秘的大鸟,神奇的哈利路亚悬浮山还时常在空中发生移动!

  究竟是什么神秘的力量能够悬空“托起”这一座座大山呢?电影中解释道,是因为山中蕴藏着一种叫做“Unobtanium”的神奇室温超导矿石,它借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这种奇珍异宝,疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁那威人的家园。那么,什么是超导材料?它为何有如此强大的磁悬浮力量?我们现实中的地球是否存在室温超导体呢?

  什么是超导材料?超导磁悬浮的原理是什么?

  超导,顾名思义就是超级导电的意思。超导材料具有许多独特的电、磁、热等物理特性,其中最典型的就是当降到足够低温度(该温度点称作超导临界温度)的时候,超导材料的电阻会突然变为零,假如在超导环中诱导出电流的话,电流将永久环流而几乎不衰减,而且也不会有任何发热现象。如果将超导体置于磁场环境下,超导感应电流的存在将使超导体内自动形成一个如“金钟罩”、“铁布衫”一样的屏蔽磁场,这有效抵消了外界磁场,导致超导体内磁场为零。这便是超导体的另一种特性——完全抗磁性。

  超导体对外磁场的“抗拒”会产生作用力,同时磁场对超导体也存在反作用力,而且越靠近磁体,该作用力增加得越多,因此将超导体置于磁场上方的合适高度就可以达到抗磁力与重力的平衡,从而把超导体悬浮在空中——这就是超导磁悬浮的原理。尽管悬浮现象在生活中比比皆是,但来自完全抗磁性的超导磁悬浮无疑是最强的悬浮力量之一,一块见方大小的超导板甚至可以悬浮起重量级的相扑选手。

  超导材料具有如此奇特的物理性质,它们很罕见吗?其实生活中处处都是超导材料,因为元素周期表中的大部分单质金属元素都是超导体,如铝、钙、锡、铅等,一些非金属材料在高压下也是超导体,如硅、硫、磷等。可是生活中却很少用到它们的超导特性,关键问题在于要实现超导,就必须将温度降到超导临界温度之下。遗憾的是,金属单质和合金超导体的临界温度都低得可怜。

  例如1911年发现的第一个超导体——金属汞的临界温度在4K(热力学温标,相当于-269℃)左右,可以说它已经接近宇宙中的最低温度——绝对零度0K(-273℃),直到1986年以前,科学家发现的最高临界温度的超导体是Nb3Ge ,也仅为23K(-250℃)。要达到如此低的温度,用空调、冰箱来制冷是绝对不行的(它们顶多到-100℃左右),这需要依赖昂贵的液氦(稀有气体)来制冷,就算在科研实验中也存在诸多局限,更何况大规模应用到生活中。

  超导体的零电阻和抗磁性让人们对其应用充满渴望,因为它将大大节约电力传输和使用过程中的损耗、可以提供持续稳定的强磁场、实现安全快捷的高速磁悬浮运输等等。因此,寻找到更高超导临界温度的超导体,乃至室温(300K或25℃左右)下的超导材料,势必将对人类未来的生活带来翻天覆地的革新。1957年,物理学家巴丁、库伯和施里弗成功建立理论解释了传统金属单质和合金中的超导现象。他们认为:实现超导的关键在于低温下材料中的电子会“两两牵手配对”并且所有电子对能够和谐一致地运动,从而相互抵消了各自运动过程的能量损耗而实现超级导电的目的。据此理论,人们预言超导临界温度将不可能超越40 K(-233℃),这个预言曾经一度让寻找更高临界温度的超导体之路陷入迷茫。

  人类离发现室温超导体有多远?

  然而实验物理学家并没有放弃对更高转变温度超导体的探索。功夫不负有心人,1986年,IBM的工程师柏诺兹和穆勒在La-Ba-Cu-O陶瓷材料中发现了35K(-238℃)的超导电性。随后,华人科学家朱经武、吴茂坤以及中国科学家赵忠贤等人发现了具有93K(-180℃)超导的Y-Ba-Cu-O体系。最终,这类铜氧化物超导体最高临界温度提高到了165K(-108℃)附近,从而被称为高温超导体(这里的高温,只是相对常规金属超导体的低超导临界温度而言的)。

  高温超导体的临界温度迈入了液氮温区,大大降低的研究和应用成本。然而,高临界温度只是超导应用中的重要指标之一,为大规模应用,超导材料还需要具有良好的可塑性和承载大电流的本领等,为寻找到更多更适合应用的超导材料,科学家加快了超导探索的脚步,陆续发现了许多超导新家族。例如:2001年,日本科学家发现临界温度高达39K的MgB2超导体;2008年,日、中、美、德等多国科学家在铁砷族化合物中发现55K以上的超导电性,这类超导体被称为铁基超导体,是个极其庞大的家族。

  如今,超导体的种类已经覆盖各种金属、合金、非金属化合物、氧化物,乃至有机物等多种物质形态,似乎暗示“条条大路通超导”。随着诸多新超导体的不断涌现,超导研究领域高潮迭起,人类对超导的不断深入认识也极大地推进了现代基础物理的前沿研究,人们对室温超导体的发现更加充满期待和厚望。从理论上,已经预言在极端高压下的氢元素将变成金属态,它就极可能是室温超导体。从实验上,人们在各种化学形态物质开展深入探索和研究,已经在寻找更高临界温度超导体积累了丰富的经验。

  相信在不久的将来,只要我们不断努力前行,现实中的哈利路亚山——室温超导体也许不再是梦想。到那时,你或许可以用超导磁悬浮技术在云彩之中练瑜伽或在悬空的“白云”沙发上酣睡,那是何等地惬意和美妙!

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