什麼是量子懸浮？

01-08

今天看到個視頻，標題是量子懸浮，我比較納悶就進去看了，演示的效果還是比較驚人的，和磁浮的概念不一樣，物體不是浮起來的，而是固定（Lock）在離表面一定距離的地方。
有誰可以解釋一下量子懸浮的概念么？工作原理是什麼？我百度了一下，沒找到啥有意義的內容。
視頻地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMzEzOTEwNTQw.html

它大致是一個：利用了超導抗磁性及多層膜機構中量子隧穿效應，製成的quantum trapping現象。

1 超導的抗磁性。零電阻抗磁性是超導體的兩大基本特徵。超導體是完全的抗磁體，外加磁場無法進入或（嚴格說是）大範圍地存在於超導體內部。抗磁現象由邁斯納（W. Meissner）和奧森費爾德（R. Ochsenfeld）發現，也稱為邁斯納效應。

超導的抗磁性，也就是超導體內部磁通密度B=0，而之外的磁通隨磁場變化不為0。

2 量子隧穿效應（Quantum tunnelling effect）。根據量子力學，微觀粒子如電子具有波的性質，能夠穿過它們本來無法通過的「牆」（勢壘）。超導體中電子凝聚成庫珀電子對，形成靜電勢阱。鄰近結的超導界面上，尤其是晶體缺陷處，會形成量子隧穿。

3 實驗材料。實驗中用了氧化物高溫（相對絕對零度的高溫）超導體，通過氧化在金屬電極薄膜上自然生長一層絕緣氧化物作為隧穿勢壘。概念上，它是個具有正常態-超導態多層膜結構（NS結構）的隧道結。實用的方法是製作具有鄰近效應的鄰近結C-I-NS（反電極-絕緣層-正常態金屬超導體），類似實驗中所述。

鄰近效應是一種感應超導電性，在此效應下的隧穿理論模型，由於庫珀電子對從超導材料膜S層隧穿進入正常態材料膜N層引起，使得不顯示超導電性的材料與超導體構成多層薄膜結構時也變得具有超導電性。所以，在此試驗中整個材料的整體顯示超導的抗磁性。

4 Quantum Trapping的產生！此試驗中，晶體缺陷處形成了量子隧穿，同時也形成了釘扎中心。由於磁通密度的變化的電動力學及各種量子效應的綜合結果，超導體內部產生釘扎力（pinning force），作用方向為阻止磁通密度變化的方向。可以參考下面的釘扎力（pinning force）及磁通釘扎理論（flux-pinning）。因此，就有了Quantum Trapping~~

也就是我們看到的量子懸浮，呵呵。

參考問題：

*http://www.zhihu.com/question/19932750#answer

* http://www.zhihu.com/question/19885348

參考材料：

* 《電子隧穿原理》，科學出版社，作者：舒啟清，1998

* wiki:量子隧穿效應 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%A9%BF%E9%9A%A7%E6%95%88%E6%87%89

*wiki:Pinning force http://en.wikipedia.org/wiki/Pinning_force

*wiki:Flux-pinning http://en.wikipedia.org/wiki/Flux_pinning

現在很多解釋，包括果殼網，將出現磁場穿透的原因歸於二型超導體的晶體缺陷。

我覺得這個解釋說的通，但官方網站強調的是薄膜。

http://quantumlevitation.com/

我因此去了這個研究小組的主頁，看到他們的研究內容中

http://www.tau.ac.il/~supercon/publications.html

有許多關於關於YBCO薄膜與穿透深度的內容。

我邀請感興趣的各位再深入調查一下，到底哪個是主要因素。

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更酷的視頻在這裡

http://www.youtube.com/watch?v=VyOtIsnG71U

原理介紹在這裡

http://quantumlevitation.com/levitation/The_physics.html

這裡懸浮的原理是超導體。

當導體接近永磁體時，磁場變化在導體內引起感應電流，電流引起的磁場與外磁場互斥。

如果是一般導體，這個電流立即就被消耗了。如果是線圈的話，會看到一定的排斥現象，但是也會被消耗為熱能。如果是超導體，因為電阻為零，所以電流不會被消耗[1]，斥力足以讓超導體懸浮。結果就是超導體排斥磁鐵的靠近。

這個視頻中的材料更進一步。他們是在物體外面鍍了很薄（微米級）的一層超導材料。本來磁感線不會穿過超導體，但是因為現在超導體很薄，磁場就選擇幾個"點"穿過。如果移動物體，這幾個穿過的"點"也被移動，而超導體是排斥這種變化的。結果就是物體被鎖定在空間中。

視頻中的物體一直在冒白汽，這是因為材料一般要在極低溫環境下才有超導性質，估計這東西也是剛從液氮里拿出來。所以這玩意要用於實踐還有很長的路呢……也許在俄羅斯可以日常應用……

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Meissner_effect#Explanation

看到果殼新發了一篇文章講相關主題，轉過來大家一起看看：http://www.guokr.com/article/93145/

超導體磁通密度為0B，當然電阻也為0Ω。

根據左右手定則，導體在磁場中運動會產生反作用力，而超導體磁通密度為0B，沒有反作用力，也不會產生電流。

當外磁場H介於Hc1和Hc2之間時，會有部分磁場穿透超導體，產生穿透的位置是量子化的，超導體就是被這些磁通管鎖定(pin)住的。