电影中的悬浮山在现实中会存在吗

科普中国网 2017-04-08

　　作者：罗会仟(中国科学院物理研究所)

　　1911年4月8日，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯发现超导现象。科学家从此打开了一个奇异世界的大门。2009年，一部科幻电影《阿凡达》让超导景象深入普通公众。电影里，神秘潘多拉星球最具特色景致之一，莫过于那一座座悬浮着的哈利路亚山，挂在朵朵白云间的飞天瀑布是何等壮美！电影中一种叫作“Unobtanium”的神奇室温超导矿石悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这些奇珍异宝，疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁纳威人的家园。然而现实中是否存在室温超导体呢？超导磁悬浮又是如何实现的？

　　借助气、声、磁、电等外界作用力，只要能抵消重力的影响就可以使物体悬浮。现实世界中，我们身边的悬浮现象比比皆是。飞鸟和鱼虾利用空气或水的浮力、火箭依靠往下剧烈喷射的气体推力都可以实现悬浮，而超导磁悬浮似乎是最具有神秘魅力的。

　　那么，究竟什么是超导呢？超导是指某些材料在温度降到低于某一特定温度的时候，电阻突然变为零的现象。这类材料被称为超导材料，对应发生超导现象的温度点就叫作超导临界温度。如果你给一个环形的超导体通上电流并断开回路的话，电流将持续不断地在超导环里面流动而几乎不衰减。这是因为材料内部的电子在低温下已经两两配对，并且电子对都是步调一致的，从而抵消了运动过程中可能产生的电阻效应。如果将超导体置于磁场环境下的话，超导感应电流的存在将使得超导体内自动形成一个如“金钟罩”“铁布衫”一样的屏蔽场，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。完全抗磁性的存在，导致磁力线无法进入超导体内部，超导体对靠近的磁性材料有着强烈的排斥作用，如果排斥力正好抵消重力，磁悬浮也就实现了。

　　其实，超导材料在现实生活中并不罕见，元素周期表中大部分金属元素单质都是超导体，一些非金属材料在高压下也是超导体。遗憾的是，这些超导体的临界温度都非常苛刻，比如，于1911年发现的第一个超导体金属汞的临界温度在4开（−269℃），已经接近绝对零度，直到1986年以前，最高临界温度的超导体是铌锗合金（Nb3Ge），仅为23开。要达到如此低的温度需要依赖昂贵的液氦来制冷，这就为超导实验带来了诸多局限，超导用于实际生活更是遥不可及。

　　1957年，物理学家巴丁、库珀和施里弗建立了传统超导体的BCS理论并成功解释了金属单质和合金中的超导现象。理论物理学家据此预言，超导临界温度将不可能超越40开（−233℃）。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，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒在通常认为是绝缘体的镧钡铜氧（La-Ba-Cu-O）陶瓷材料中发现了35开（-238℃）的超导电性，紧接着华人科学家朱经武、吴茂坤以及中国科学家赵忠贤等人发现了具有93开（−180℃）超导的钇钡铜氧（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165开（−108℃）附近，从而被称为高温超导体。高温超导体的临界温度迈入了液氮温区，大大降低了研究和应用的成本。然而人们很快发现这种高温超导材料具有陶瓷特性因而存在可塑性差、临界电流密度低等先天缺陷，而且其超导微观机理比常规金属超导体要复杂得多，至今人们也没有一致的认识。于是，科学家又加快了超导材料探索的脚步，陆续发现了许多超导新家族，其中具有代表性的是：2001年临界温度高达39开的二硼化镁超导体被日本科学家发现；2008年日本科学家细野秀雄等发现了26开超导的镧铁砷氧（La-Fe-As-O）体系，随后在中、美、德、日等多国科学家努力下在短短3个月内将临界温度提升到了56开，并在这个超导家族发现了更多新成员。这类超导体被称为“铁基超导体”，是目前最为庞大的超导家族。诸多新超导体的不断涌现，让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凝聚态物理的研究。

　　历史上，已经至少有10位科学家因超导研究获得了诺贝尔物理学奖。在新超导材料探索和超导机理研究队伍中，华人的身影越来越多，他们为超导研究做出了许多重要贡献。如今，从合金到氧化物，再到铁基超导，乃至有机超导材料等，超导的微观机理都不尽相同，似乎暗示“条条大路通超导”。人们完全有理由相信在不久的将来，科学家有可能发现临界温度在室温300开（约25℃）附近的室温超导体。