一文读懂丨百分百抗磁的超导体

超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质，因此具有重要的科学和应用价值。

什么是超导体？

超导是材料内部电子的一种宏观热力学相变，超导体具有两种彼此独立的基本介质：绝对零电阻和完全抗磁性。

电阻为零意味着电阻完全消失，容易被大家理解。那什么是完全抗磁性呢？

物理学上通常将材料的磁性分为顺磁性、抗磁性和铁磁性等。铁磁性材料是把材料放到磁场中或降到某一温度以下，材料被磁化，产生较强的磁场且材料具有明确的磁极，比如含铁钴镍等元素的一些材料，磁化后的材料可以保留铁磁性。顺磁性材料是把材料放到磁场中，材料被磁化产生一个较小的磁场，方向与原磁场相同，大小与原磁场成正比，但撤销外磁场后就会消失。而抗磁性材料是把材料放到磁场中，材料内部产生的磁场与原磁场方向相反，反而会减弱总磁场。一般来说，铁磁性材料放到磁场中会被原磁场吸引，而抗磁性材料会被原磁场排斥。

但很多情况下人们都忽略材料的抗磁性，因为在磁场不是很强的时候，基本观察不到材料的抗磁性。准确来说，真空的磁化率是1，代表与原磁场一致。普通抗磁性材料的磁化率为负值，但非常接近0，比如水、部分有机物、少量金属等都是普通抗磁性材料。但超导体的磁化率是-1，达到了抗磁性的最大值，与普通抗磁性材料显著不同，是100%的抗磁性。磁通线可以穿过普通抗磁性材料，但却不能穿过处于完全抗磁状态下的超导体（这也被称为迈斯纳效应）。即使在特定温度和磁场下，磁通线可以部分穿透超导体，也会产生很强的磁通钉扎效应。因此，超导体会非常强烈地排斥外磁场，且能牢牢束缚住磁通线，而普通抗磁性材料只是轻微的排斥外磁场。

区分真假超导体，磁铁下方有答案

这里可以告诉大家一个非常简单的方法来区分普通抗磁性材料的悬浮和超导体的悬浮，那就是把材料放到磁铁的下方，看其会不会在磁铁的下方悬浮。能够实现磁悬浮的超导体，不仅可以在磁铁的上方浮起来，也可以在磁铁的下方悬挂住。因为磁通线实际上部分穿入了超导体内部，又部分被超导体强烈排斥，而且超导电子可以把磁通线牢牢锁住，产生很强的作用力，所以无论是浮还是悬，都足以克服重力。但普通抗磁性材料却根本不能在磁铁的下方悬浮，因为这类材料抗磁性很弱，绝大部分磁通线可以穿透材料且没有很强的作用力，在磁铁上方可以借助微小的抗磁斥力而悬浮。如放到磁铁下方，普通抗磁性材料会掉下去。

“磁悬浮小青蛙”诞生记

关于抗磁性，这里介绍一件趣事。现任英国曼彻斯特大学教授的安德烈.盖姆是世界上第一个同时获得诺贝尔物理学奖和搞笑诺贝尔物理学奖的学者。其2010年获得诺贝尔奖物理学奖的实验是发现了石墨烯，其获得2000年搞笑诺贝尔物理学奖则是由于做了一个悬浮青蛙的实验。他将一只青蛙放在了16T的强磁场中，青蛙在磁场中实现了悬浮，因为青蛙是含大量水的有机物，具有一定的抗磁性。实际上不仅仅是青蛙，由于16T的磁场实在是太强了，直接滴一滴水在磁场中也能悬浮。

作者 | 北京化工大学副教授 耿志浩

审核 | 中科院物理研究所研究员 罗会仟