重磅丨物理學家發現超導體理論缺陷——Bean模型大錯特錯

超導體電阻為零，不消耗能量且能長時間存儲能量。其中能夠儲存磁能的超導體被稱為“困場磁體”或TFMs。很多現代技術都基于磁體。50多年前，General Electric 的科學家C.P. Bean曾提出的“Bean模型”理論，也稱為“臨界狀態模型”理論，得到了廣泛的認可。他假定超導體電阻為零，遵循電磁基本規律。此外他能夠預測外部磁場是如何從某一位置進入超導體的。但是該模型限制了TFMs的適用性。

Bean的臨界狀態模型一提出就有漏洞出現。但是最近休斯敦大學物理學家發現Bean的模型大錯特錯，其結果已發表在AIP出版的Journal of Applied Physics上。他們發現Bean提出的模型與磁場實際的空間分布存在很大的差異。入射場明明是飛躍式突然增大的，但是Bean模型預測的卻是平穩的緩慢增大。這些新的發現具有可重復性和可操作性。

TFMs雖然很吸引人，但是其應用始終受到阻礙。休斯敦大學的新發現可用于提高很多相關設備的性能，但是如何利用物理學規律來解釋這一現象還有待于進一步的研究。

圖文導讀：

圖一 試驗所用裝置示意圖

圖1是本實驗所用的裝置示意圖。需要注意的是該裝置中高溫超導的直徑比活化磁鐵的直徑大，且使用了分割線圈激活的磁鐵。這些磁鐵的特別之處在于，鐵磁芯加線圈的直徑小于被激活的TFM的直徑。實驗中使用的高溫超導樣品直徑20mm，磁體由長12mm且直徑為12mm的圓柱形鐵磁芯組成，繞有120匝＃24銅線，磁體總直徑達18mm。

圖二 線圈電流不同時，外加磁場與高溫超導徑向位置r之間的函數關系

圖三 磁場向量圖

圖3是線圈電流為439 A時激活磁體的磁場向量圖。注意：.換能器間的間隙在TFM下面，如圖1所示，而這里畫出的間隙在TFM上面。其中，深藍色的是鐵磁磁芯。

圖四 俘獲磁場與徑向位置r之間的關系圖

圖4是脈沖振幅最大且Jc ?=?8500?A/cm²時，俘獲磁場與r之間的關系圖。數據于脈沖2min后記錄。該圖還表示出在脈沖振幅剛好足以激活TFM到最大俘獲磁場時，激活脈沖與r之間的關系。

圖五 徑向位置r不同時，穿透場與時間之間的關系

圖5中所使用的樣品與圖4中使用的樣品一樣。該圖還表示出r依賴于圖4中相同的激活脈沖。

圖六 俘獲磁場徑向位置r之間的關系圖

圖6與和圖4 一樣表示俘獲磁場與r之間的關系圖，但是該圖中Jc?=?37?250?A/cm²。圖6還表示出脈沖場的空間相關性，其中脈沖場剛好足以激活至最大俘獲磁場。

圖七 徑向位置r不同時，穿透場與時間之間的關系

圖7與圖5一樣表示徑向位置r不同時，穿透場與時間之間的關系，但圖7中Jc?=?37?250?A/cm²。圖7還示表示出了在在脈沖振幅剛好足以引起GFL 情況下，脈沖磁場與r之間的關系。

圖八 俘獲磁場最大值B_T,max（r=0）與²³⁵U摻雜量之間的關系圖

圖九 拆分線圈磁鐵在脈沖調制的ZFC中測得的最大俘獲磁場與在大直徑磁鐵通過FC測得的最大俘獲磁場的對比圖

圖9中的零截距是由于鐵磁心在低場強下磁阻減小。圖9中曲線的最佳擬合曲線是B_T,maxZFC(r=0)=0.215+1.02×B_T,maxFC(r=0)。

文獻連接：Anomalous results observed in magnetization of bulk high temperature superconductors—A windfall for applications

感謝材料人陳曉提供素材