電影《阿凡達(dá)》不僅僅給我們帶來(lái)了3D的震撼視覺(jué)享受，也為我們構(gòu)想出了一個(gè)奇幻美麗的潘多拉世界。其中最令人難忘的場(chǎng)景莫過(guò)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(niǎo)，神奇的哈利路亞懸浮山還時(shí)常在空中發(fā)生移動(dòng)！



　　科幻電影《阿凡達(dá)》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?yàn)樯街刑N(yùn)藏著一種叫做"Unobtanium"的神奇室溫超導(dǎo)礦石，它借助母樹(shù)附近的強(qiáng)大磁場(chǎng)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(jià)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(qiáng)大的磁懸浮力量？我們現(xiàn)實(shí)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(jí)導(dǎo)電的意思。超導(dǎo)材料具有許多獨(dú)特的電、磁、熱等物理特性，其中最典型的就是當(dāng)降到足夠低溫度(該溫度點(diǎn)稱作超導(dǎo)臨界溫度)的時(shí)候，超導(dǎo)材料的電阻會(huì)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(huì)有任何發(fā)熱現(xiàn)象。如果將超導(dǎo)體置于磁場(chǎng)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(dòng)形成一個(gè)如"金鐘罩"、"鐵布衫"一樣的屏蔽磁場(chǎng)，這有效抵消了外界磁場(chǎng)，導(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)為零。這便是超導(dǎo)體的另一種特性——完全抗磁性。



　　超導(dǎo)磁懸浮

　　超導(dǎo)體對(duì)外磁場(chǎng)的"抗拒"會(huì)產(chǎn)生作用力，同時(shí)磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)上方的合適高度就可以達(dá)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(lái)自完全抗磁性的超導(dǎo)磁懸浮無(wú)疑是最強(qiáng)的懸浮力量之一，一塊見(jiàn)方大小的超導(dǎo)板甚至可以懸浮起重量級(jí)的相撲選手。



　　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(jiàn)嗎？其實(shí)生活中處處都是超導(dǎo)材料，因?yàn)樵刂芷诒碇械拇蟛糠謫钨|(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(wèn)題在于要實(shí)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(gè)超導(dǎo)體——金屬汞的臨界溫度在4K (熱力學(xué)溫標(biāo)，相當(dāng)于-269℃)左右，可以說(shuō)它已經(jīng)接近宇宙中的最低溫度——絕對(duì)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(dá)到如此低的溫度，用空調(diào)、冰箱來(lái)制冷是絕對(duì)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(lái)制冷，就算在科研實(shí)驗(yàn)中也存在諸多局限，更何況大規(guī)模應(yīng)用到生活中。



　　超導(dǎo)元素單質(zhì)

　　超導(dǎo)體的零電阻和抗磁性讓人們對(duì)其應(yīng)用充滿渴望，因?yàn)樗鼘⒋蟠蠊?jié)約電力傳輸和使用過(guò)程中的損耗、可以提供持續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)安全快捷的高速磁懸浮運(yùn)輸?shù)鹊取Ｒ虼?，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(shì)必將對(duì)人類未來(lái)的生活帶來(lái)翻天覆地的革新。1957年，物理學(xué)家巴丁、庫(kù)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(rèn)為：實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的關(guān)鍵在于低溫下材料中的電子會(huì)"兩兩牽手配對(duì)"并且所有電子對(duì)能夠和諧一致地運(yùn)動(dòng)，從而相互抵消了各自運(yùn)動(dòng)過(guò)程的能量損耗而實(shí)現(xiàn)超級(jí)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(gè)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。



　　人類離發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體有多遠(yuǎn)？

　　然而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家并沒(méi)有放棄對(duì)更高轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)體的探索。功夫不負(fù)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(guó)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(duì)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(biāo)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(dá)39K的MgB2超導(dǎo)體；2008年，日、中、美、德等多國(guó)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(gè)極其龐大的家族。



　　設(shè)想中的超導(dǎo)磁懸浮列車與室溫超導(dǎo)"懸浮云"沙發(fā)

　　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(jī)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(duì)超導(dǎo)的不斷深入認(rèn)識(shí)也極大地推進(jìn)了現(xiàn)代基礎(chǔ)物理的前沿研究，人們對(duì)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(shí)驗(yàn)上，人們?cè)诟鞣N化學(xué)形態(tài)物質(zhì)開(kāi)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(yàn)。

　　相信在不久的將來(lái)，只要我們不斷努力前行，現(xiàn)實(shí)中的哈利路亞山——室溫超導(dǎo)體也許不再是夢(mèng)想。到那時(shí)，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！

原文地址：http://iphone.myzaker.com/l.php?l=51f884ef7f52e9fc11000002