室溫常壓超導(dǎo)材料LK-99：抗磁性與邁斯納效應(yīng)

韓國(guó)的室溫常壓超導(dǎo)材料最近鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，他們?yōu)榱俗C明事件的真實(shí)性，拍了一個(gè)材料懸浮的視頻。然而，有一些物理學(xué)家稱，能造成懸浮的不一定是邁斯納效應(yīng)，一些抗磁性也可以出現(xiàn)懸浮的現(xiàn)象。那么，邁斯納效應(yīng)和抗磁性是什么呢？

我們都知道，磁鐵可以吸引鐵、鈷、鎳等金屬，這是因?yàn)檫@些金屬具有順磁性，即它們的原子內(nèi)部有未成對(duì)的電子，這些電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微小的磁矩，使得原子表現(xiàn)出類似于小磁針的性質(zhì)。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，這些原子的磁矩會(huì)傾向于與外場(chǎng)方向一致，從而使得整個(gè)金屬表現(xiàn)出與外場(chǎng)同向的磁化現(xiàn)象。

但是，并不是所有的金屬都是順磁性的。有些金屬在外加磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出與外場(chǎng)反向的磁化現(xiàn)象，這就是抗磁性?？勾判缘脑硎?，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電子會(huì)受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生一個(gè)渦旋電流，這個(gè)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外場(chǎng)反向的磁場(chǎng)，從而使得整個(gè)金屬表現(xiàn)出與外場(chǎng)反向的磁化現(xiàn)象。

抗磁性雖然與順磁性相反，但是它們都是一種線性的響應(yīng)，即外加磁場(chǎng)和金屬內(nèi)部的磁場(chǎng)之間存在一個(gè)比例關(guān)系。這個(gè)比例系數(shù)就是金屬的磁化率。順磁性金屬的磁化率是正的，抗磁性金屬的磁化率是負(fù)的，但都很小，一般在10^-5到10^-6的數(shù)量級(jí)。

然而，在1933年，兩位德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧克森菲爾德發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)一些金屬被冷卻到低于某個(gè)臨界溫度時(shí)，它們不僅表現(xiàn)出零電阻（即超導(dǎo)），而且表現(xiàn)出完全抗磁。完全抗磁指的是，在低于臨界溫度和低于臨界強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)下，超導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何磁感應(yīng)強(qiáng)度，即超導(dǎo)體完全排斥了外部的磁力線。這種效應(yīng)就被稱為邁斯納效應(yīng)。

邁斯納效應(yīng)與普通抗磁性有本質(zhì)的區(qū)別。普通抗磁性只能在外加磁場(chǎng)存在時(shí)才能產(chǎn)生內(nèi)部反向電流和反向磁場(chǎng)，而邁斯納效應(yīng)則不受外加磁場(chǎng)是否存在或先后順序的影響。也就是說(shuō)，如果先將一個(gè)材料放入一個(gè)外加磁場(chǎng)中，然后再冷卻到低于臨界溫度，或者先將它冷卻到低于臨界溫度，然后再放入一個(gè)外加磁場(chǎng)中，結(jié)果都一樣：超導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何磁感應(yīng)強(qiáng)度，即超導(dǎo)體完全排斥了外部的磁力線。

邁斯納效應(yīng)的理論解釋是由倫敦兄弟于1935年提出的倫敦方程。倫敦方程描述了超導(dǎo)體中電流密度和磁場(chǎng)之間的關(guān)系，表明了超導(dǎo)體表面存在一個(gè)屏蔽電流，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)部相互抵消。倫敦方程還引入了一個(gè)重要的物理量——倫敦穿透深度，它表示了外加磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)部衰減到零所需要的距離。不過(guò)倫敦方程是一種唯象理論，它只能解釋邁斯納效應(yīng)的現(xiàn)象，但不能揭示其微觀機(jī)制。后來(lái)，1957年，BCS理論成功地從微觀層面解釋了邁斯納效應(yīng)。

邁斯納效應(yīng)的原理是，當(dāng)超導(dǎo)體低于臨界溫度時(shí)，它的自由電子會(huì)形成一種特殊的狀態(tài)，叫做庫(kù)珀對(duì)。庫(kù)珀對(duì)是由兩個(gè)相反自旋的電子通過(guò)相互吸引而形成的一種準(zhǔn)粒子，它們的總自旋為零，因此不受外加磁場(chǎng)的影響。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，庫(kù)珀對(duì)會(huì)在超導(dǎo)體表面形成一個(gè)電流層，這個(gè)電流層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外場(chǎng)完全抵消的磁場(chǎng)，從而使得超導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何磁感應(yīng)強(qiáng)度。這就是邁斯納效應(yīng)的微觀機(jī)制。

邁斯納效應(yīng)有很多有趣的現(xiàn)象和應(yīng)用。例如，如果將一個(gè)超導(dǎo)體懸浮在一個(gè)磁鐵上方，它會(huì)保持一個(gè)固定的位置和方向，不會(huì)旋轉(zhuǎn)或下落，這就是超導(dǎo)懸浮現(xiàn)象。超導(dǎo)懸浮可以用于制造高速列車、飛行器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備。另一個(gè)例子是，如果將一個(gè)超導(dǎo)環(huán)放入一個(gè)外加磁場(chǎng)中，然后冷卻到低于臨界溫度，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流，這個(gè)電流不會(huì)衰減或消失，這就是超導(dǎo)環(huán)電流現(xiàn)象。超導(dǎo)環(huán)電流可以用于制造高精度的磁測(cè)量?jī)x器、量子計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

總之，抗磁性是一種物質(zhì)在外加磁場(chǎng)下，產(chǎn)生與之相反的磁化強(qiáng)度，從而減小自身的磁感應(yīng)強(qiáng)度的現(xiàn)象。邁斯納效應(yīng)是一種超導(dǎo)體在低于臨界溫度時(shí)，完全排斥外加磁場(chǎng)，使得超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零的現(xiàn)象。