本文主要介绍了量子锁定和一些浅显的原理和对其未来一些可能的应用。
1.背景介绍
“悬浮”这等挑战重力的事总是迷人的，人们从古代就梦想着能够像鸟儿那样自由自在地飞翔。磁悬浮作为现代科技的产物不再稀奇，但若在悬浮二字前面加上“量子”二字，那么一切就会变得不同。
2.个人理解
量子悬浮又称量子锁定，源于英文“Quantum Locking”。如图1中所展示的那样，圆盘底部是由磁性材料制成的轨道，圆盘由500 µm蓝宝石单晶基底圆盘（single crystal sapphire wafer）和一层0.5 µm的超导材料制成。换言之，圆盘此刻是一个浮在磁性材料上的超导体。与磁悬浮的原理不同，量子悬浮并不是由磁力所维持，它是靠超导现象所解释的。超导性是超导材料在降温到一个特定的点后所发生的零电阻效应和排斥磁场的效应，是物质的一种量子状态。
图1 量子悬浮的示意图
下面我们来讨论一下超导体的两个主要特点即零电阻和排斥磁场效应。首先是零电阻效应(见图2)。什么是电阻？由高中知识我们知道电流是导电材料内部的电子流动，电子在移动的时候会与材料的原子发生碰撞，在这些碰撞中电子的能量会失去一部分。这部分能量会转化为我们大家都很熟悉的内能，电饼铛、电热毯的工作原理就是如此，放出的热量供我们使用。但是，在超导体内部并不存在这些碰撞。没有能量的损失。这是值得我们注意的一个现象，因为在经典物理学中总是会存在一些摩擦力，一些能量损失。但是这些在超导体中都不存在，而这一切都是因为量子效应。
图2 超导体在温度低于临界温度下电阻为0
第二点便是超导体的磁场排斥效应(见图3示意图)。超导体并不像普通的磁性材料，它总是会通过自身表面的环形电流去排斥磁场。如果我们用磁感线表示磁场，磁感线会像图中那样发生弯曲，绕过超导体。零电阻效应和磁场排斥效应的结合体就是一个超导体。但是有时在外界的磁场足够强的时候，超导体的磁场排斥效应并不足够强，磁场线可以“刺穿”超薄的超导体，磁场依然会存在在超导体的内部，在超薄的超导体上形成磁场通道。这些在超导体内部的磁场通道并不是连续的而是分散的，这就是我们将这个效应成为“量子”锁定的原因。那么我们超导体放入磁场内部又会发生什么呢？首先，超导体内部的磁场通道并不会自由的移动而是会存在阻力，因为磁场的变动会损失掉能量进而会破坏掉超导状态。所以当磁场穿过超导体时，超导体会锁定住一部分磁场，而这些磁场的通道就是磁场通道。通过锁定磁场通道，超导体也会停留在当前的位置，因为改变超导体位置的同时也会改变磁场通道的位置和结构，这一现象就被称为量子锁定。当我们将超导体放在磁性轨道上面的时候它就会停留在哪里，但是这不是简单的悬浮，我们可以重新放置超导体来改变它的位置，无论你左移右移甚至将它翻转，超导体依然可以固定在放置的位置。这是一种超导体三维立体的锁定。如果我们准备一个小的四周磁场都均匀的圆形的磁性轨道，超导体可以围绕着轨道的中轴旋转。因为当超导体开始旋转时，磁场通道就已经被锁定，即使材料开始旋转，磁场通道的位置不变，量子锁定依然能够维持。
图3 超导体在超导温度以下排斥磁力线
现在我们来考虑一下这个问题，当量子锁定发生的时候有多少磁场通道被锁定在了这样的圆盘中？经过计算得出的结果非常之巨大，在一个直径3英寸的圆盘中，锁定的的磁场通道是10^12个。但是令人震惊的不是这点，而是在圆盘中的超导材料只有0.5微米薄，但是当超导体锁定在磁场中时，它可以托起70000倍于它自身重量的物品。因此我们可以将轨道扩大，做成我们想要的任何形状。
根据超导体的特性，我们可以利用超导体内部的数量众多的环形电流来制造一些设备所需要的磁场，比如粒子加速器和托马斯线圈。同时我们还可以利用超导体制造电缆来传送巨大电流。但是量子悬浮和量子锁定的未来又会是怎样的呢？请允许我用一个简单的例子来回答这个问题，想象一下你有一个与图4相同大小的直径为三英寸的超导体，有一点不同就是它的厚度并不是0.5微米而是2毫米，同样很小。但是这个相当小的超导体可以托起一个1吨重的物质，一个小汽车的重量。仅仅通过一个比手掌还要小的薄片就可以托起一辆小汽车，这在未来绝对会掀起另一场科技革命。
尽管到目前为止超导现象已经被发现了100多年，但它依然还不成熟，还需要广大的科学家去投身到深入的研究中去进而去完善它。
总结：
在本文中，我主要讨论了超导体的两个主要特点和量子锁定的一些理论知识及其在未来可能的应用。
原文发布时间为：2017-01-17
本文作者：聂万
本文来源：量子趣谈，如需转载请联系原作者。
