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超導(dǎo)現(xiàn)象到底是啥:相信我、這篇你絕對能看懂!

2024-06-06 08:02:14 236觀看

超導(dǎo)電性,堪稱是物理界的“明星”,每次有新的動(dòng)態(tài)都能帶來一波流量。去年七月,韓國的研究團(tuán)隊(duì)聲稱成功合成了全球首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體,這一重磅消息瞬間引發(fā)全球關(guān)注。這位備受矚目的物理界“頂流”,究竟隱藏著怎樣的奧秘呢?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

什么是超導(dǎo)?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

根據(jù)導(dǎo)電性的不同,日常材料可分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。有一種特殊的導(dǎo)體,當(dāng)處于“超導(dǎo)狀態(tài)”時(shí),我們將其稱為“超導(dǎo)體”。“超導(dǎo)狀態(tài)”描述的是某些材料在特定低溫條件下,電阻降至零并同時(shí)展現(xiàn)出完全抗磁性的狀態(tài)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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超導(dǎo)體 圖源:羅切特大學(xué)uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

這種現(xiàn)象是人類首次發(fā)現(xiàn)的宏觀量子效應(yīng),更是物理學(xué)領(lǐng)域中充滿神秘與美麗的一道獨(dú)特風(fēng)景。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)是如何被發(fā)現(xiàn)的?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

1911年,超導(dǎo)現(xiàn)象由荷蘭物理學(xué)家海克·卡梅林·昂內(nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次發(fā)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),他成功制備了純度極高的汞,并將其冷卻至接近絕對零度(-273.15℃);當(dāng)他對汞的電阻進(jìn)行測量時(shí),驚奇地發(fā)現(xiàn),在溫度降至4.2K(-268.95℃)以下時(shí),汞的電阻竟突然消失,呈現(xiàn)出幾乎完美的導(dǎo)電性能。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

這是一次革命性的發(fā)現(xiàn),他將這種現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”(superconductivity),并因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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荷蘭物理學(xué)家海克·卡梅林·昂內(nèi)斯uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

1986年1月,瑞士物理學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒(Karl Alexander Müller)和他的德國合作者約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨(Johannes Georg Bednorz)宣布,他們發(fā)現(xiàn)了一類銅氧化物超導(dǎo)體,其臨界溫度可以高達(dá)30K(-243.15℃),這一高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打破了人們對超導(dǎo)只能存在于極低溫的認(rèn)知,他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而后,科學(xué)家們還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種臨界溫度高于液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)體。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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瑞士物理學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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德國物理學(xué)家約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨 圖片來源:網(wǎng)絡(luò)uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

為什么會產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

為了深入探究超導(dǎo)現(xiàn)象的本質(zhì),我們首先來理解普通導(dǎo)體產(chǎn)生電阻的原因:uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

普通導(dǎo)體的電阻uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

想象一個(gè)陽光明媚的晴天,蝴蝶們懷著愉悅的心情,紛紛振翅飛向正在盛開的向日葵。在神秘的微觀世界中,導(dǎo)體內(nèi)部自由穿梭的電子就宛如蝴蝶,一旦受到電場吸引的作用,便會沿著特定的方向,即電源正極的方向移動(dòng)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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調(diào)皮的蝴蝶們(自由電子)雖然擁有自由飛翔的能力,但它們在奔向美麗的向日葵(電源正極)的旅途中,總會遭遇到令人不悅的蜘蛛(中心原子)的阻撓;為了掙脫這些蜘蛛(中心原子)的束縛,蝴蝶們會奮力抵抗。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

同樣地,導(dǎo)體中分布在自由電子周圍的中心原子就如同蜘蛛;當(dāng)自由電子試圖朝著某一特定方向移動(dòng)時(shí),它們不可避免地會與周圍的中心原子發(fā)生碰撞,這種碰撞導(dǎo)致了自由電子的運(yùn)動(dòng)受到阻礙。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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盡管遭遇重重阻礙,但蝴蝶(自由電子)對向日葵(電源正極)的向往之心從未動(dòng)搖,它們依舊堅(jiān)持不懈地振翅飛翔。同樣地,自由電子也始終堅(jiān)守著向電源正極方向前進(jìn)的決心,不斷地運(yùn)動(dòng)著。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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終于,蝴蝶(自由電子)還是堅(jiān)定地飛向了它心中那朵綻放的向日葵(電源正極);這一過程正如自由電子掙脫了中心原子的束縛,成功抵達(dá)了終的目的地——電源正極。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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在自由電子的運(yùn)動(dòng)和與中心原子的碰撞過程中,能量會從自由電子轉(zhuǎn)移到中心原子上,而后中心原子會將這些能量以熱量的形式釋放到周圍環(huán)境中。從宏觀角度來看,這就是電流在流過常規(guī)導(dǎo)體的過程中產(chǎn)生電阻的原因。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)體的零電阻uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

前面已經(jīng)提到,超導(dǎo)體具有兩大顯著特性:其中之一是零電阻狀態(tài)。那么,相比于常規(guī)導(dǎo)體存在的電阻狀態(tài),超導(dǎo)體的零電阻狀態(tài)又是如何發(fā)生的呢?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

想象一下,當(dāng)環(huán)境溫度驟降至-196℃時(shí),原本輕盈自由、翩翩起舞的蝴蝶們(自由電子),仿佛感受到了前所未有的挑戰(zhàn)。為了在這嚴(yán)酷的低溫環(huán)境中存活下來,它們不再像往常那樣獨(dú)自飛翔,而是選擇了一種全新的生存策略——兩兩相擁(庫伯對)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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兩兩相擁的蝴蝶們(庫伯對)緊密地依偎在一起,仿佛結(jié)成了一個(gè)個(gè)小小的生命共同體。它們通過這種方式,共同抵御著外界的寒冷,相互取暖,共渡難關(guān)。令人驚嘆的是,“蝴蝶cp”們竟然完美地避開了所有前進(jìn)的阻礙,終到達(dá)了那遠(yuǎn)方的向日葵(電源正極)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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在超導(dǎo)體的微觀世界中,如此低溫的環(huán)境下,自由電子也會發(fā)生類似的行為;它們會兩兩配對,形成庫伯對(Cooper pairs),就像那些兩兩相擁的蝴蝶一樣,再共同朝著電源正極的方向移動(dòng);從而實(shí)現(xiàn)了電流在超導(dǎo)體中的無阻流動(dòng),即零電阻狀態(tài)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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在超導(dǎo)體內(nèi),當(dāng)庫伯對(Cooper pairs)形成并開始運(yùn)動(dòng)時(shí),它們與中心原子之間并未發(fā)生能量的交換,即沒有能量的傳遞與釋放;這種特殊的狀態(tài),在宏觀層面上,正是超導(dǎo)體能夠展現(xiàn)出零電阻現(xiàn)象的根本原因。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)體的完全抗磁性uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)體的另一顯著特性是完全抗磁性,這一現(xiàn)象通常被稱為“邁斯納效應(yīng)”。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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具體來說,在室溫條件下,磁場的磁力線能夠輕易地穿透超導(dǎo)體;然而,一旦超導(dǎo)體被冷卻至超導(dǎo)相變溫度以下,它的內(nèi)部仿佛擁有了一種神奇的力量,使得磁場幾乎被完全抵消,磁力線也無法穿透超導(dǎo)體。這種對磁場的排斥作用如此強(qiáng)烈,以至于超導(dǎo)體能夠懸浮在磁體之上,展現(xiàn)了其獨(dú)特的抗磁性。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

“邁斯納效應(yīng)”的原理是當(dāng)其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)并受到外部磁場作用時(shí),超導(dǎo)體表面會產(chǎn)生電流。這些電流所產(chǎn)生的磁場與外部磁場的作用相互抵消,形成了一種特殊的平衡狀態(tài),使得超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎降至為零。這種現(xiàn)象是超導(dǎo)體獨(dú)特物理性質(zhì)的體現(xiàn)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)有什么用?uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)滲透到眾多領(lǐng)域,展現(xiàn)出了其巨大的潛力和價(jià)值。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)磁體發(fā)揮著舉足輕重的作用。它能夠產(chǎn)生強(qiáng)大且穩(wěn)定的磁場,這一特性在核磁共振成像(MRI)等醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)中顯得尤為重要;通過超導(dǎo)磁體的應(yīng)用,成像的分辨率和信噪比得以顯著提升,進(jìn)而為醫(yī)生提供更精確、更可靠的疾病診斷依據(jù)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng)uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

電力系統(tǒng)領(lǐng)域uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)電力技術(shù)以其無損耗的特性展現(xiàn)了巨大潛力。超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)限流器,以及超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠顯著提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性,有效減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

此外,超導(dǎo)電纜還可用于連接電源和負(fù)載,如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)施,為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供有力支持。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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世界首條35千伏公里級超導(dǎo)電纜在上海投運(yùn)uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

大科學(xué)裝置構(gòu)造uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)磁體扮演著不可或缺的角色。它可用于制造諸如:大型粒子加速器、“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置,以及同步輻射光源等尖端設(shè)備;通過這些大科學(xué)裝置的運(yùn)行和使用,使得科學(xué)家們得以深入探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律,同時(shí)也為新材料和新能源的研發(fā)工作提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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大科學(xué)裝置—“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

量子計(jì)算領(lǐng)域uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

超導(dǎo)在量子比特和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展中,被用于制造量子比特(qubit),即量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成單元。量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的原理,展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度與能力,能夠解決一系列傳統(tǒng)方法難以攻克的難題,如密碼學(xué)、優(yōu)化問題以及人工智能等。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

如今,我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn),并完成了超17.8萬個(gè)運(yùn)算任務(wù)。uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺uws壹木網(wǎng)-日常常見問題解答

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