重磅丨物理学家发现超导体理论缺陷——Bean模型大错特错

超导体电阻为零，不消耗能量且能长时间存储能量。其中能够储存磁能的超导体被称为“困场磁体”或TFMs。很多现代技术都基于磁体。50多年前，General Electric 的科学家C.P. Bean曾提出的“Bean模型”理论，也称为“临界状态模型”理论，得到了广泛的认可。他假定超导体电阻为零，遵循电磁基本规律。此外他能够预测外部磁场是如何从某一位置进入超导体的。但是该模型限制了TFMs的适用性。

Bean的临界状态模型一提出就有漏洞出现。但是最近休斯敦大学物理学家发现Bean的模型大错特错，其结果已发表在AIP出版的Journal of Applied Physics上。他们发现Bean提出的模型与磁场实际的空间分布存在很大的差异。入射场明明是飞跃式突然增大的，但是Bean模型预测的却是平稳的缓慢增大。这些新的发现具有可重复性和可操作性。

TFMs虽然很吸引人，但是其应用始终受到阻碍。休斯敦大学的新发现可用于提高很多相关设备的性能，但是如何利用物理学规律来解释这一现象还有待于进一步的研究。

图文导读：

图一 试验所用装置示意图

图1是本实验所用的装置示意图。需要注意的是该装置中高温超导的直径比活化磁铁的直径大，且使用了分割线圈激活的磁铁。这些磁铁的特别之处在于，铁磁芯加线圈的直径小于被激活的TFM的直径。实验中使用的高温超导样品直径20mm，磁体由长12mm且直径为12mm的圆柱形铁磁芯组成，绕有120匝＃24铜线，磁体总直径达18mm。

图二 线圈电流不同时，外加磁场与高温超导径向位置r之间的函数关系

图三 磁场向量图

图3是线圈电流为439 A时激活磁体的磁场向量图。注意：.换能器间的间隙在TFM下面，如图1所示，而这里画出的间隙在TFM上面。其中，深蓝色的是铁磁磁芯。

图四 俘获磁场与径向位置r之间的关系图

图4是脉冲振幅最大且Jc  = 8500 A/cm²时，俘获磁场与r之间的关系图。数据于脉冲2min后记录。该图还表示出在脉冲振幅刚好足以激活TFM到最大俘获磁场时，激活脉冲与r之间的关系。

图五 径向位置r不同时，穿透场与时间之间的关系

图5中所使用的样品与图4中使用的样品一样。该图还表示出r依赖于图4中相同的激活脉冲。

图六 俘获磁场径向位置r之间的关系图

图6与和图4 一样表示俘获磁场与r之间的关系图，但是该图中Jc = 37 250 A/cm²。图6还表示出脉冲场的空间相关性，其中脉冲场刚好足以激活至最大俘获磁场。

图七 径向位置r不同时，穿透场与时间之间的关系

图7与图5一样表示径向位置r不同时，穿透场与时间之间的关系，但图7中Jc = 37 250 A/cm²。图7还示表示出了在在脉冲振幅刚好足以引起GFL 情况下，脉冲磁场与r之间的关系。

图八 俘获磁场最大值B_T,max（r=0）与²³⁵U掺杂量之间的关系图

图九 拆分线圈磁铁在脉冲调制的ZFC中测得的最大俘获磁场与在大直径磁铁通过FC测得的最大俘获磁场的对比图

图9中的零截距是由于铁磁心在低场强下磁阻减小。图9中曲线的最佳拟合曲线是B_T,maxZFC(r=0)=0.215+1.02×B_T,maxFC(r=0)。

文献连接：Anomalous results observed in magnetization of bulk high temperature superconductors—A windfall for applications

感谢材料人陈晓提供素材