【电影天启-实验室版】与邪恶BOSS的决战 | 线上科学日 第8弹

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楼主 2022-01-12 06:49:18
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线上科学日 · 仔细看 足不出户 尽揽精彩
现在已经到了“仔细看”系列的第 6 期了,上周日我们有幸请来了X战警的冰人巴比给大家展示了速冻特效还教了小编一套美国大片的摄影技巧。本期线上科学日我们将给大家展示一些什么呢?…似乎小编已经在题目中给了一些提示。


首先让大家看个东西。



怎么飘起来了呢?嗯,是超导……可是怎么不冒气,液氮在哪里呀?


你以为只有超导材料才能在磁场中悬浮起来吗?

No, no, no! 你天天见到的材料也可以!铅笔芯的组成物质石墨具有很强的抗磁性,甚至可以在磁场中悬浮起来(受到的磁力作用可以抵消其重力~)。而且在这里使用的这个小小的“磁铁”是钕铁硼哦~


什么是钕铁硼?……简单的说钕铁硼是一种像磁铁一样的东西,但是相比普通的磁铁更硬,当中含有较多的稀土元素钕、铁及硼 ,其磁能积和矫顽力极高,此类特性时常被广泛运用于各项设备当中,被称为“磁王”。先不多讲…详细介绍都放最后…


说到“磁王”,好了进入咱们今天的正题——【电影天启-实验室版】与邪恶BOSS的决战,不知道有多少同学看过《X战警:天启》的,那这最终决战时候的场景你一定记得吧!(没看过的请不要打我…)



没错,就是万磁王反叛BOSS并发起攻击的场景!(天启在这里的台词:我抗磁我抗磁,我就是个抗磁!)

今天我们就重新录制实验室版。下面介绍演员。



万磁王由钕铁硼饰演(大家应该理解为什么,都带磁性呀),天启由石墨片饰演(为什么?因为都比较黑…)


对战十分胶着,从场前打到场后……


不想演啦?可由不得你!还跳!?


用两个BOSS一起来战!


拍了一会儿感觉不太对,好像少了什么东西。哦,原来还有一个人!(存在感似乎有点低,不过据说是X战警的队长)


对就是这个人,趁BOSS被万磁王插在地上动弹不得的时候给他来了一下!


那么再来下一个场景开拍,还有BOSS要求换替身上…演员表变成这样了……


万磁王依然是由钕铁硼饰演,天启由薄石墨片饰演(专业的名称是HOPG高取向热解石墨,不是普通石墨也不是石墨烯),镭射眼由激光笔饰演(……)



咦,BOSS似乎被打的来回跑呀,不是我眼花吧?换一个红色的试试!



红色激光笔果然给力呀!BOSS被牵着鼻子走。换个角度再看看。



这大概就是万磁王&镭射眼大战天启的实验室版(最终版)了!

在英明的小编的指导下,我们英勇的镭射眼队长和万磁王联手将邪恶的BOSS打得落花流水~


下面来点涨姿势的,相信很多同学很好奇吧~


对于第二场中的现象呢,稍微给点提示:

抗磁性与材料中电子的性质密切相关,而光和热会改变电子的运动状态,引起抗磁性的变化。激光照到石墨薄片上,光斑处局部抗磁性减弱,石墨片不同位置受力不同,从而跟随光点一起悬空飘动起来!


认真的同学肯定不会满足于刚才的这些解释的~

下面小编将尽可能通俗易懂而且尽可能多的讲解哦~


认真的小编讲解

【逗逼背后的原理】


抗/顺/铁 磁性,其物理本源是?

提到磁性,我们可能第一想到的是熟悉的磁铁,它具有铁磁性或亚铁磁性。其实磁性还有很多种,包括反铁磁、顺磁、 抗磁等。顺磁又有Pauli顺磁和van Vleck顺磁,抗磁又有超导体的完全抗磁性、分子中的轨道抗磁性,金属中的朗道抗磁 性等。

然而多数情况下,抗磁性是如此之弱,以至于可以忽略它的存在。不过每个家族总有那么几个奇葩的存在。水的抗磁性就比很多材料要大。之前小编也给大家做过靠水的抗磁性推动物体运动的实验(正经玩之听话的甜甜圈)。同时获得诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的Geim童鞋还趁老板不在在实验室搞黑科技,把青蛙扔进强磁场实验仪器中,成功悬浮!让癞蛤蟆吃天鹅肉的梦想迈 出了蛙生的第一步。而还有有一类半金属(semimetal)材料,铋,锑和石墨等,他们的抗磁性简直逆天!是普通有机材料的几十倍之大!甚至可以在普通磁铁的磁场的作用下悬浮起来!(先贴几个简单的图压压惊)这是为什么呢?



这还得从金属中的朗道抗磁性说起。当把金属放在磁场中的时候,其中的电子做回旋运动,由于量子效应,电子能量是分立的。电子回旋运动的能谱与谐振子能谱非常类似。且场越强,能级间距越大。然而电子数目有限呀,这样磁场大小变化的时候,最上面那个朗道能级总是一会儿填满一会儿腾空,不过呢,总体上总是能量升高的。能量升高不就是抵抗力吗?!就像单摆,推向一边,高度增加,势能增加的时候,就会有回复力啦!这是一个普遍的原理。磁场中的金属也是这样,这样产生的抗磁性就叫朗道抗磁性。它本质上是量子效应。不过为啥那么多金属,就那么几个奇葩抗磁性强呢?其他金属就不明显呀?嘿嘿,这不得不提到Pauli顺磁性。它是由于两种自旋在磁场中取向能的不同导致的一种顺磁效应,这里就不详细展开了。我们只要知道,对于自由电子气体来说,朗道抗磁性总是Pauli顺磁性的1/3,可怜的朗道抗磁性就这样被掩盖掉了……哭……对于金属中的电子来说,也差不多,不过给这个1/3乘以了一个系数:(m/m*)^2。m是电子真实质量,m*是金属中的有效质量。金属中一般类似自由电子气,二者相当,所以抗磁性很难显现出来。不过……好像哪里不对?哈哈  就是这个m*!!!石墨中的m*是Bug一样的存在!



a, 石墨烯费米面附近的能级结构,中间那个顶点就是狄拉克点;b,磁场里面电子在朗道能级间的不均匀分布,第0能级是半满态;c,狄拉克梳形式的态密度分布


原来这类材料有一个共同的特点,他们的价带与导带只有微微的重叠,且其中载流子浓度非常小 ,称为半金属。更重要的是,他们在费米面附近具有线性的色散关系,就是狄拉克点啦!大名鼎鼎的狄拉克点吼不吼啊?!这样呢,其中电子的有效质量就非常小啦!极端一点,比如那些年我们一起追的女孩,不,热点,名叫石墨烯,就是从HOPG上剥离下来的单原子层石墨啦,其中电子有效质量大概只有实际电子质量的1/20!不过,还有更可怕的事情——其中的电子波函数有一个附加的几何相位,称为Berry Phase——这个有点复杂就不展开了。重点是,有了这个相位,它有了第0 个朗道能级!!就在狄拉克点上!这与谐振子形式的朗道能级大大的不一样啊有木有!这直接导致其中费米面一下一个朗道能级能量范围内的电子全部在磁场中升高能量!是全部哦!抗磁性一下子就大大的增强了!具体有点复杂哦……石墨烯这个最简单的例子都弄了一堆公式……小编数学不好,看见公式就头大,感兴趣的朋友们请参考文献[2]吧。


你一定很好奇激光照它为什么会动!

不过光让石墨烯在磁场中悬浮起来不算啥。谁说城里人会玩儿?我们村里人也很会玩好不好!大名鼎鼎的黑科技集散地中关村有木有!

文献[1]从实验上、文献[2]从理论上说明,温度增高,抗磁性会减弱。文献[2]还说,费米面的移动更是对抗磁性有着炒鸡敏感的作用!费米面一点轻微的移动就要导致抗磁性量级的变化!!!有了抗磁,有了悬浮,还缺什么呢?上帝说要有光,于是便有了光!光可以产生热,光还可以让电子激发。前者改变温度,后者改变费米面!这下可好,光照就成了石墨抗磁性的第一杀手!!!这么暗黑的科技小编怎么能错过?怎么能不在大家面前装……装做很厉害的样子?(想到这里,感觉自己胸前的红领巾更鲜艳了呢……)咳咳,一束激光找下去,悬浮的HOPG片一侧被照亮,对抗磁性造成10000点伤害。本来本来在磁场中四平八稳处于平衡态的石墨片失去了一侧的支撑,向着被照到的一侧前进了。对,其它地方抗磁性没变,光照的地方变弱了,这样其他地方就一起把它推向了抗磁减弱的方向,一起追逐光明去了……


这是参考文献,感兴趣的同学一定要看哦~


[1] M. Kobayashi and J. Abe,  J. Am. Chem. Soc. 134, 20593 (2012).

[2] Zhilin Li, Lianlian Chen, Sheng Meng et al., Phys. Rev. B 91, 094429 (2015).


说了这么多,我想你的表情可能是这样的…




没有关系~总有能看懂的不是嘛~


华丽的分割线~


感谢@Cmeng 在拍摄过程中的技术支持!

特别致谢 来自我所A02组的Dr. 李学苑 的学术指导(本文基于其学术成果完成)!





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