超导“小时代”(10)：四两拨千斤

电场和磁场可以让物体不发生直接接触就产生相互作用。例如前面讲的超声波可以让小昆虫甚至小鱼悬浮起来，强磁场可以让青蛙悬浮起来。如今，磁悬浮早已不稀奇，诸如“磁悬浮地球仪”、“磁悬浮音箱”等。俄罗斯甚至发明了一种“磁悬浮鼠标”（图1）。

图1：磁悬浮地球仪、音箱和鼠标 

磁悬浮的力量是很强大的，利用磁铁线圈可产生几个特斯拉的磁场。如果外磁场因超导抗磁性对其产生的作用力足以平衡超导体的自身重力，那么就可以实现超导磁悬浮（图2）。

图2：超导磁悬浮      

但是，目前还不能采用强大的超导技术，因为：其一是超导往往需要很低的温度才能实现；其二是超导体虽然电阻为零，但电流密度存在一定上限；其三是超导体不永远是“金刚不坏之身”，其承受的磁场强度也同样存在一定上限。这三个方面的阈值分别称为超导体的临界温度(T_c)、临界电流密度(J_c)、临界磁场(H_c)(图3)。

图3：超导的临界参数和临界曲面

以超导线圈为基础的超导磁体是超导电磁应用的另一个重要方面。超导体电阻为零，回路中通入电流后没有电能和热能损耗，其承载的电流密度比常规超导要大得多。因此，超导线圈有体积轻小、能耗低、磁场稳定和均匀度高等优点。比如，高分辨核磁共振成像仪的关键在于磁场的强度和均匀度。目前，采用最强超导磁体的核磁共振成像技术，能够把人脑中的860亿根神经元全部都清晰测量出来，做成令人惊叹不已的“人脑神经地图”。在普通实验室里，超导磁体可以提供高达18特斯拉的强磁场；在质谱仪中，高精度的元素甚至同位素分辨能力需要依赖于高强度的超导磁体；对于大型粒子加速器，超导磁体是加速粒子和探测粒子的有效工具，欧洲大型强子对撞机LHC之所以能发现希格斯粒子，其上9300余个超导磁体功不可没；人工可控核聚变装置是超导磁体提供的强磁场用于约束聚变反应（超导托克马克装置）。