邁斯納效應(yīng)和磁懸浮

陳篤行

2023.8.3

????現(xiàn)在大家都在談LK-99是個(gè)超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并把它在永磁體上的懸浮當(dāng)作超導(dǎo)體邁斯納效應(yīng)的表現(xiàn)。其實(shí)，即使它是個(gè)理想的第一類超導(dǎo)體，這種懸浮也只是它具有零電阻性能的表現(xiàn)。因?yàn)殡娮枋橇?，把它移?dòng)到永磁體表面的過程中外加磁通的增大，會(huì)根據(jù)法拉第和歐姆定律在表面感生渦流，產(chǎn)生合適的反向磁場正好抵消外加磁通的變化，使它的內(nèi)部磁通密度永遠(yuǎn)處處為零，成為一個(gè)理想的抗磁體?？勾朋w在不均勻外場中受的力指向外場減小的方向，從而表現(xiàn)出遠(yuǎn)離磁體上表面的懸浮。這個(gè)過程與邁斯納效應(yīng)毫無關(guān)系。

????1933年發(fā)現(xiàn)的邁斯納效應(yīng)是在固定的外磁場下把超導(dǎo)體的溫度從超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tc以上降到以下，全部外磁通自動(dòng)地排出體外，成為一個(gè)理想抗磁體的效應(yīng)。在效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久，倫敦兄弟在1935年用外場中超導(dǎo)體內(nèi)的磁場能和超導(dǎo)電子的動(dòng)能之和的極小值，導(dǎo)出了著名的倫敦方程，解釋了邁斯納效應(yīng)，并得出一個(gè)磁場從表面穿透的深度，后來叫做倫敦穿透深度。

????邁斯納效應(yīng)是不能如金教授所說觸發(fā)出來的。用磁懸浮來演示邁斯納效應(yīng)，必須把樣品放在永磁體上面，在降溫過程看它是否浮起來才行。過去對(duì)YBaCuO高溫超導(dǎo)體是做過這種實(shí)驗(yàn)的，用注入液氮把溫度從室溫降到77K。因?yàn)樗欠抢硐氲牡诙惓瑢?dǎo)體，晶粒內(nèi)有磁通線穿過，邁斯納效應(yīng)是不完全的，而且被缺陷釘扎的磁通線會(huì)把樣品固定到一定高度，甚至可以懸空掛在磁體的下方?，F(xiàn)在的LK-99則必須把它放在永磁鐵上，加熱到足夠高的溫度后冷卻，看是否有在Tc附近突然浮起來的過程。

????其實(shí)，從應(yīng)用的角度看，LK-99顯不顯邁斯納效應(yīng)并不重要，重要的是它要具有極小的電阻率。為此，最簡單可靠的方法是測量它的交流磁化率隨磁場頻率和幅度的變化。相比于SQUID磁強(qiáng)計(jì)，任何實(shí)驗(yàn)室自制一臺(tái)交流磁化率測量儀都可以說是零成本的。關(guān)鍵是要對(duì)超導(dǎo)體的交流磁化率行為有足夠的認(rèn)識(shí)。在1987年宣布高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)后不到一個(gè)月，我就在大家一無所知的情況下率先發(fā)表了交流磁化率的測量結(jié)果，后來又率先用各種臨界態(tài)模型算出了超導(dǎo)體的磁滯回線和交流磁化率，得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的結(jié)果。我的先期文章曾經(jīng)引起美國華盛頓大學(xué)教授R.A.Hein的極大興趣，為此他曾希望我主持1991年在美國Coolfont召開的一次會(huì)議“MagneticSusceptibilityofSuperconductorsandOtherSpin Systems”的開幕式。

????超導(dǎo)體的交流磁化率隨磁場幅度的變化到底是什么樣子？我給出發(fā)表在上述會(huì)議、77K 下對(duì)YBCO測的一例如下。它是一個(gè)復(fù)數(shù)，隨磁場增大，其實(shí)部分量從-1增大并呈現(xiàn)兩個(gè)臺(tái)階，各相應(yīng)于虛部分量的一個(gè)峰。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線是對(duì)低場階段的精確模型計(jì)算結(jié)果，由此可得出超導(dǎo)體的臨界電流密度隨磁場的變化。

????高溫超導(dǎo)體的交流磁化率隨T的變化見下二圖，左為燒結(jié)樣品的測量結(jié)果，右為把它敲碎成粗粉后的測量結(jié)果?？梢娨渤尸F(xiàn)隨著T提高的兩個(gè)階段，分別相應(yīng)于晶粒間和晶粒內(nèi)的超導(dǎo)電流。磁化率突然為零處相應(yīng)于Tc=91K。

????很可能，LK-99的交流磁化率只有第二階段，說明超導(dǎo)晶粒間沒有約瑟夫遜電流流過，致使伏安曲線有一個(gè)電壓平臺(tái)，但相應(yīng)電阻率卻比銅大了幾個(gè)量級(jí)。我強(qiáng)烈建議所有室溫超導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)先測量所得樣品的交流磁化率！

????根據(jù)近三十年來研究和開發(fā)高溫超導(dǎo)材料的經(jīng)驗(yàn)，除了用小樣品大致測出電阻隨溫度下降而急劇下降至很小的值，以確認(rèn)正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變之外，大部分的前期工作都是在測量和研究它們的磁性，并由它算出臨界電流密度。只有在做出幾厘米長超導(dǎo)帶之后，才有可能直接準(zhǔn)確地測量它的伏安曲線以得到真實(shí)的臨界電流和相關(guān)的電場電流密度依賴性。