 物理所开放日每年都非常火爆，而超导实验室的磁悬浮演示更是常常被围得水泄不通。超导，悬浮，倒挂每一个演示都不断挑战着我们的认知。今天我们请到了物理所超导实验室的专家团队为同学们解密超导磁悬浮。 主讲人：中科院物理研究所超导实验室的博士研究生许立，张劲松 讲座参加者：北大附中对物理感兴趣的同学 开始，两位学长介绍了什么是液氮，以及液氮是怎么来的：液氮作为工业生产和实验室中常用的制冷剂，利用了氮气沸点极低的物理性质，可以将物质冷却至-196℃以下。由于地球大气中的氮气储量巨大，一方面，在保持室内通风的前提下，将液氮直接排放在空气中不会造成污染；另一方面，工业上也往往从空气中制取液氮。借助热力学定律，我们得知冷却空气可以借助热交换和气体膨胀做功两大途径实现，而工业上通过加压-冷却-节流膨胀的方式，就可以从空气中分馏出液氮。 之后，两位学长开始介绍超导体---一块深灰色有光泽的陶瓷。这块超导体的名字是Y-Ba-Cu-O。超导体在极低的温度下会进入超导态。这个状态下物体零电阻，且具有完全抗磁性。将冷却至超导转变温度以下、进入超导态的超导体轻轻放置在磁铁上，可以达到不稳定的悬浮状态。如果轻轻将超导体摁压，缩近与磁铁的距离，超导则会达到稳定的悬浮状态。此时超导-磁铁装置可以维持侧挂，倒挂等状态。 开心的实验来了： 准备阶段： 实验开始之前，张劲松学长拿出了一块超导体。外面包裹的一个塑料保护壳，保护壳里面有海绵用来吸满液氮和一块超导体（Y-Ba-Cu-O）。老师将超导体跟一块磁铁放在一起，发现在常温下，超导体并不会与磁铁发生反应，这说明这种氧化物陶瓷材料在常温下不会展现出明显的磁性。老师从杜瓦罐里面取出液氮，倒到一个小碗里面。由于液氮的温度极低，达到了-196℃。所以当液氮倒进放置在室温环境的碗内，便开始剧烈沸腾，气化吸收的热量使周围空气中的水蒸气迅速凝结成小水滴，不断形成了雾气向外冒，如同仙境一般，在座的同学纷纷感叹这神奇的现象，要使用液氮拍仙侠片肯定又环保又凉快。然后，老师用夹子把超导体整块浸入到倒有液氮小碗里，超导体周边如同开水沸腾一般。液氮的沸腾逐渐减弱，意味着超导体已经降至跟液氮相近的温度，由于Y-Ba-Cu-O超导体的超导转变温度高于液氮沸点，此时超导体已经进入超导态。 实验演示： 把经过液氮冷却的超导体轻轻放置在磁铁上，超导体竟然悬浮在空中。如果将超导体用力向下压一段距离，再将磁铁拿起翻转，超导体甚至能在磁铁下方倒挂！！紧接着，老师又把超导体放在了一个圆形磁铁上，这次除了能悬浮之外，如果从侧面拨动超导体，它能转动起来。最后，老师拿出了一个圆形磁轨，磁轨的所有磁铁都是N极朝上，当超导体被放到磁轨上时，超导体会悬浮起来，沿着轨道方向轻轻推动超导体，超导体便会自己沿着轨道转起来，这不就是动画片中的空中飞车吗？ 视频戳这里👇  实验现象总结 第一，超导体在常温常压下不会与磁铁发生反应。 第二，利用液氮冷却超导体后，超导体可以在磁铁上方悬浮。 第三，如果用手对超导体下压一段距离，超导体可以在磁铁下方实现倒挂 第四，超导体在圆形磁铁上方可以自由转动，而在方形磁铁上方不能自由转动。 第五，超导体可以沿着磁轨悬浮运动。 然而这是为什么？？敲小黑板，注意听讲了！ 讲座的后半部分主要介绍超导体为什么能够达到这些状态的数学原理,在基于量子力学的方程体系下，老师逐个击破了实验中所遗留的问题，同时在探索的过程中也引出了新的问题。从超导体的分类，高温超导体的磁钉扎现象以及磁畴。在特意用动画模拟了磁通随着温度的演化过程。整个讲解过程深入浅出，高屋建瓴，同学们听的津津有味，回味无穷。 最后学长们简单介绍了超导在各领域的一些应用，比如核磁，磁悬浮列车。然后给大家介绍了有关超导体的五项诺贝尔奖，并表示在超导科学领域，至少还能有两项诺贝尔奖级别的工作等待科学家们做出突破。接着对超导物理的未来发展进行了展望：虽然目前凝聚态物理的发展处于一个瓶颈期，但依旧有许多相关领域的问题需要人才去解决。但是遇到问题不要一味死磕，如果发现进入了瓶颈期，不妨从另一个角度解决问题的思想。 放飞自我的 实验体验   讲座结束后，学长将剩余的液氮分发给每个小组，让同学们体验低温实验。同学们有的冷却超导体，复刻了之前的实验，有的将提前准备的树叶和花放进液氮，观察这些植物在瞬间冻住后的状态。牡丹花被冻住后，花瓣变得非常脆，轻轻一敲就碎的满桌都是。之后同学们还尝试了各种各样的物品，石块，纸张，巧克力，水。石块和纸张不受低温的影响，本来已经化了的巧克力放进液氮后瞬间就冻成了固体。往里面倒水也可以发现从液氮中以波状散发出许多蒸汽，在液氮里的水也很快结了冰。  贴心的学长为积极参与互动的小伙伴准备的物理所周边---物理所标咖啡杯。 对这次讲座我们也利用问卷星进行了跟踪： 1.关于这次讲座内容，听懂的内容有：  2.还想了解的超导相关的问题有：  3.这次活动的收获有：  个人感触 1 M同学 这次讲座我主要从两方面得到了收获。一方面我从数学的角度重新认识了超导体。以前我只知道一些有关超导体实验的现象，但是从未知道背后的数学原理是什么。两位老师非常清晰的为实验的每一个现象进行了数学化的讲解，使我从根基上知道了超导体为什么存在这些性质。并在之后的自主实验中得到了很好的验证。另一方面，讲座介绍的科学精神对我有很大的启发。尤其是物理这种学科，对一个点从一个思路往深凿是一种低效的解决问题的方式。当课题卡住了，我们应该从另一个角度来切入，才有可能柳暗花明。这就是超导体领域哦艰辛坎坷的心路历程给我们的启示。 2 L同学 这次讲座让我对超导体有了更深入的认知，而且也是第一次见到真正的超导体。比起之前在书本学到的知识，自己亲手做实验过后，对超导体的印象也会更加深刻。总的来说，这次讲座之后，我不仅拓展更多的专业知识，而且那些钻研超导体的科学家给我留下深刻的印象也会更好的开导之后的学习道路。 致谢 感谢中科院物理所超导实验室金魁研究员团队为学生们提供本次讲座和长期以来的为同学们提供的交流学习机会。 文稿：马子健，刘道铭 校稿：马继云（北大附中）张劲松（中科院物理所） 照片：马继云 录像：马洪珊 排版：古时宁 |
|
|
