室溫常壓超導(dǎo)材料LK-99：抗磁性與邁斯納效應(yīng)

韓國的室溫常壓超導(dǎo)材料最近鬧得沸沸揚揚，他們?yōu)榱俗C明事件的真實性，拍了一個材料懸浮的視頻。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，這是因為這些金屬具有順磁性，即它們的原子內(nèi)部有未成對的電子，這些電子的自旋和軌道運動會產(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)外加磁場時，這些原子的磁矩會傾向于與外場方向一致，從而使得整個金屬表現(xiàn)出與外場同向的磁化現(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時，會表現(xiàn)出與外場反向的磁化現(xiàn)象，這就是抗磁性。抗磁性的原理是，當(dāng)外加磁場時，金屬內(nèi)部的自由電子會受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生一個渦旋電流，這個電流會產(chǎn)生一個與外場反向的磁場，從而使得整個金屬表現(xiàn)出與外場反向的磁化現(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)，即外加磁場和金屬內(nèi)部的磁場之間存在一個比例關(guān)系。這個比例系數(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。

然而，在1933年，兩位德國物理學(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臨界溫度時，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存在時才能產(chǎn)生內(nèi)部反向電流和反向磁場，而邁斯納效應(yīng)則不受外加磁場是否存在或先后順序的影響。也就是說，如果先將一個材料放入一個外加磁場中，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，然后再放入一個外加磁場中，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之間的關(guān)系，表明了超導(dǎo)體表面存在一個屏蔽電流，其產(chǎn)生的磁場與外加磁場在超導(dǎo)體內(nèi)部相互抵消。倫敦方程還引入了一個重要的物理量——倫敦穿透深度，它表示了外加磁場在超導(dǎo)體內(nèi)部衰減到零所需要的距離。不過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，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，它的自由電子會形成一種特殊的狀態(tài)，叫做庫珀對。庫珀對是由兩個相反自旋的電子通過相互吸引而形成的一種準(zhǔn)粒子，它們的總自旋為零，因此不受外加磁場的影響。當(dāng)外加磁場時，庫珀對會在超導(dǎo)體表面形成一個電流層，這個電流層會產(chǎn)生一個與外場完全抵消的磁場，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，如果將一個超導(dǎo)體懸浮在一個磁鐵上方，它會保持一個固定的位置和方向，不會旋轉(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。另一個例子是，如果將一個超導(dǎo)環(huán)放入一個外加磁場中，然后冷卻到低于臨界溫度，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)部會產(chǎn)生一個恒定的電流，這個電流不會衰減或消失，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量儀器、量子計算機(jī)等設(shè)備。

總之，抗磁性是一種物質(zhì)在外加磁場下，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，完全排斥外加磁場，使得超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象。