互联网上的一些视频显示了一种叫做“量子悬浮”的东西。这是什么？它是如何工作的？我们能有飞车吗？

所谓量子悬浮是科学家利用量子物理学的特性将物体（特别是超导体）悬浮在磁源（特别是为此目的设计的量子悬浮轨道）上的过程。

量子悬浮科学

这项工作的原因是所谓的迈斯纳效应和磁通钉扎。迈斯纳效应表明，磁场中的超导体总是会排出其内部的磁场，从而使其周围的磁场弯曲。这个问题是一个平衡问题。如果你只是把一个超导体放在一块磁铁上，那么超导体就会漂浮在磁铁上，有点像试图平衡两个条形磁铁的南磁极。

通过磁通钉扎或量子锁定的过程，量子悬浮过程变得更加有趣，正如特拉维夫大学超导小组这样描述的：

超导性和磁场[sic]不一样。在可能的情况下，超导体将从内部排出所有磁场。这就是迈斯纳效应。在我们的例子中，由于超导体非常薄，磁场确实穿透。然而，它是以离散的量（毕竟这是量子物理！）即磁通管来实现的。在每个磁通管内，超导性都被局部破坏。超导体将试图将磁管固定在薄弱区域（如晶界）。超导体的任何空间运动都会导致磁通管移动。为了防止超导体被“困”在半空中，特拉维夫大学物理学家盖伊·德伊彻（Guy Deutscher）为这一过程创造了“量子悬浮”和“量子锁定”两个术语，他是该领域的主要研究人员之一。

迈斯纳效应

让我们想想超导体到底是什么：它是一种电子可以很容易地在其中流动的材料。电子在没有电阻的超导体中流动，因此当磁场接近超导材料时，超导体在其表面形成小电流，抵消了进入的磁场。结果是超导体表面内部的磁场强度精确为零。如果你绘制净磁力线图，它会显示它们围绕着物体弯曲。

但这是如何使它悬浮的呢？

当一个超导体被放置在磁道上时，其效果是超导体保持在磁道上方，基本上被磁道表面的强磁场推开。当然，由于磁斥力的力量必须抵消重力，因此它能被推到轨道上方的距离是有限的。

I型超导体的圆盘将在其最极端的版本中表现出迈斯纳效应，即所谓的“完美抗磁性”，并且在材料内部不包含任何磁场。它会悬浮，因为它试图避免任何与磁场的接触。问题是悬浮不稳定。悬浮物体通常不会停留在原地。（同样的过程也能使超导体悬浮在一个凹形碗状的铅磁体中，在该磁体中，磁场在各个方向上均匀地推动。）

为了发挥作用，悬浮需要更加稳定。这就是量子锁发挥作用的地方。

焊剂管

量子锁定过程的关键要素之一是这些通量管的存在，称为“漩涡”。如果超导体非常薄，或者如果超导体是II型超导体，则允许部分磁场穿透超导体所需的超导体成本较低。这就是为什么磁通漩涡形成的原因，在那些磁场实际上能够“滑过”超导体的区域。

在上述特拉维夫团队所描述的案例中，他们能够在晶圆表面生长一种特殊的陶瓷薄膜。当冷却时，这种陶瓷材料是II型超导体。因为它太薄了，所以显示出的抗磁性并不完美。。。允许通过材料产生这些通量漩涡。

第二类超导体中也会形成磁通旋涡，即使超导体材料不是很薄。可以设计II型超导体来增强这种效应，称为“增强磁通钉扎”

量子锁

当磁场以磁通管的形式渗透到超导体中时，它基本上关闭了狭窄区域内的超导体。把每根管子想象成超导体中间的一个微小的非超导体区域。如果超导体移动，磁通旋涡就会移动。但要记住两件事：

1. 磁通旋涡是磁场
2. 超导体将产生电流来对抗磁场（即迈斯纳效应）

超导体材料本身会产生一种力来抑制任何与磁场有关的运动。例如，如果你倾斜超导体，你会“锁定”或“捕获”它到那个位置。它将以相同的倾斜角度绕着整个轨道运行。这一通过高度和方向将超导体锁定到位的过程减少了任何不必要的摆动（特拉维夫大学也展示了这一过程，在视觉上令人印象深刻）

你可以在磁场中重新定位超导体，因为你的手可以施加比磁场所施加的力和能量多得多的力和能量。

其他类型的量子悬浮

上面描述的量子悬浮过程是基于磁斥力的，但也有其他的量子悬浮方法被提出，包括一些基于卡西米尔效应的方法。同样，这涉及到对材料电磁特性的一些奇怪的操作，所以它的实用性还有待观察。

量子悬浮的未来

不幸的是，目前这种影响的强度是如此之大，以至于我们在相当长的一段时间内不会有飞行的汽车。而且，它只能在强磁场下工作，这意味着我们需要建造新的磁性轨道道路。然而，除了更传统的电磁悬浮（maglev）列车外，亚洲已经有磁悬浮列车采用这种工艺。

另一个有用的应用是创建真正的无摩擦轴承。轴承可以旋转，但它可以在不与周围外壳直接接触的情况下悬浮，这样就不会有任何摩擦。这肯定会有一些工业应用，我们会密切关注它们何时出现在新闻中。

大众文化中的量子悬浮

虽然最初的YouTube视频在电视上得到了大量播放，但真正的量子悬浮最早的流行文化出现是在11月9日斯蒂芬·科尔伯特的《科尔伯特报告》（the Colbert Report）的一集，这是一部喜剧性的中央讽刺政治权威节目。科尔伯特带来了来自伊萨卡大学物理系的科学家马修·C·沙利文博士。科尔伯特用这种方式向听众解释了量子悬浮背后的科学：

我相信你们都知道，量子悬浮是指一种现象，即流经第二类超导体的磁通线被固定在适当的位置，尽管电磁力作用于它们。我是从一顶斯内普帽子里了解到这一点的，然后他开始将一小杯斯蒂芬·科尔伯特的“美国梦”冰淇淋悬浮起来。他之所以能够做到这一点，是因为他们在冰激凌杯的底部放置了一个超导体盘。（科尔伯特，很抱歉放弃了鬼魂。感谢沙利文博士与我们谈论这篇文章背后的科学！）