【電影天啟-實驗室版】與邪惡BOSS的決戰 | 線上科學日 第8彈
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現在已經到了「仔細看」系列的第 6 期了，上周日我們有幸請來了X戰警的冰人巴比給大家展示了速凍特效還教了小編一套美國大片的攝影技巧。本期線上科學日我們將給大家展示一些什麼呢？…似乎小編已經在題目中給了一些提示。
首先讓大家看個東西。
怎麼飄起來了呢？嗯，是超導……可是怎麼不冒氣，液氮在哪裡呀？
你以為只有超導材料才能在磁場中懸浮起來嗎？
No, no, no! 你天天見到的材料也可以！鉛筆芯的組成物質石墨具有很強的抗磁性，甚至可以在磁場中懸浮起來（受到的磁力作用可以抵消其重力~）。而且在這裡使用的這個小小的「磁鐵」是釹鐵硼哦~
什麼是釹鐵硼？……簡單的說釹鐵硼是一種像磁鐵一樣的東西，但是相比普通的磁鐵更硬，當中含有較多的稀土元素釹、鐵及硼 ，其磁能積和矯頑力極高，此類特性時常被廣泛運用於各項設備當中，被稱為「磁王」。先不多講…詳細介紹都放最後…
說到「磁王」，好了進入咱們今天的正題——【電影天啟-實驗室版】與邪惡BOSS的決戰，不知道有多少同學看過《X戰警：天啟》的，那這最終決戰時候的場景你一定記得吧！（沒看過的請不要打我…）
沒錯，就是萬磁王反叛BOSS並發起攻擊的場景！（天啟在這裡的台詞：我抗磁我抗磁，我就是個抗磁！）
今天我們就重新錄製實驗室版。下面介紹演員。
萬磁王由釹鐵硼飾演（大家應該理解為什麼，都帶磁性呀），天啟由石墨片飾演（為什麼？因為都比較黑…）
對戰十分膠著，從場前打到場後……
不想演啦？可由不得你！還跳！？
用兩個BOSS一起來戰！
拍了一會兒感覺不太對，好像少了什麼東西。哦，原來還有一個人！（存在感似乎有點低，不過據說是X戰警的隊長）
對就是這個人，趁BOSS被萬磁王插在地上動彈不得的時候給他來了一下！
那麼再來下一個場景開拍，還有BOSS要求換替身上…演員表變成這樣了……
萬磁王依然是由釹鐵硼飾演，天啟由薄石墨片飾演（專業的名稱是HOPG，高取向熱解石墨，不是普通石墨也不是石墨烯），鐳射眼由激光筆飾演（……）
咦，BOSS似乎被打的來回跑呀，不是我眼花吧？換一個紅色的試試！
紅色激光筆果然給力呀！BOSS被牽著鼻子走。換個角度再看看。
這大概就是萬磁王&鐳射眼大戰天啟的實驗室版（最終版）了！
在英明的小編的指導下，我們英勇的鐳射眼隊長和萬磁王聯手將邪惡的BOSS打得落花流水~
下面來點漲姿勢的，相信很多同學很好奇吧~
對於第二場中的現象呢，稍微給點提示：
抗磁性與材料中電子的性質密切相關，而光和熱會改變電子的運動狀態，引起抗磁性的變化。激光照到石墨薄片上，光斑處局部抗磁性減弱，石墨片不同位置受力不同，從而跟隨光點一起懸空飄動起來！
認真的同學肯定不會滿足於剛才的這些解釋的~
下面小編將儘可能通俗易懂而且儘可能多的講解哦~
認真的小編講解
【逗逼背後的原理】
抗/順/鐵 磁性，其物理本源是？
提到磁性，我們可能第一想到的是熟悉的磁鐵，它具有鐵磁性或亞鐵磁性。其實磁性還有很多種，包括反鐵磁、順磁、 抗磁等。順磁又有Pauli順磁和van Vleck順磁，抗磁又有超導體的完全抗磁性、分子中的軌道抗磁性，金屬中的朗道抗磁 性等。
然而多數情況下，抗磁性是如此之弱，以至於可以忽略它的存在。不過每個家族總有那麼幾個奇葩的存在。水的抗磁性就比很多材料要大。之前小編也給大家做過靠水的抗磁性推動物體運動的實驗（正經玩之聽話的甜甜圈）。同時獲得諾貝爾獎和搞笑諾貝爾獎的Geim童鞋還趁老闆不在在實驗室搞黑科技，把青蛙扔進強磁場實驗儀器中，成功懸浮！讓癩蛤蟆吃天鵝肉的夢想邁 出了蛙生的第一步。而還有有一類半金屬(semimetal)材料,鉍，銻和石墨等，他們的抗磁性簡直逆天！是普通有機材料的幾十倍之大！甚至可以在普通磁鐵的磁場的作用下懸浮起來！（先貼幾個簡單的圖壓壓驚）這是為什麼呢？
這還得從金屬中的朗道抗磁性說起。當把金屬放在磁場中的時候，其中的電子做迴旋運動，由於量子效應，電子能量是分立的。電子迴旋運動的能譜與諧振子能譜非常類似。且場越強，能級間距越大。然而電子數目有限呀，這樣磁場大小變化的時候，最上面那個朗道能級總是一會兒填滿一會兒騰空，不過呢，總體上總是能量升高的。能量升高不就是抵抗力嗎？！就像單擺，推向一邊，高度增加，勢能增加的時候，就會有回復力啦！這是一個普遍的原理。磁場中的金屬也是這樣，這樣產生的抗磁性就叫朗道抗磁性。它本質上是量子效應。不過為啥那麼多金屬，就那麼幾個奇葩抗磁性強呢？其他金屬就不明顯呀？嘿嘿，這不得不提到Pauli順磁性。它是由於兩種自旋在磁場中取向能的不同導致的一種順磁效應，這裡就不詳細展開了。我們只要知道，對於自由電子氣體來說，朗道抗磁性總是Pauli順磁性的1/3，可憐的朗道抗磁性就這樣被掩蓋掉了……哭……對於金屬中的電子來說，也差不多，不過給這個1/3乘以了一個係數：（m/m*）^2。m是電子真實質量，m*是金屬中的有效質量。金屬中一般類似自由電子氣，二者相當，所以抗磁性很難顯現出來。不過……好像哪裡不對？哈哈 就是這個m*！！！石墨中的m*是Bug一樣的存在！
a, 石墨烯費米面附近的能級結構，中間那個頂點就是狄拉克點；b，磁場裡面電子在朗道能級間的不均勻分布，第0能級是半滿態；c，狄拉克梳形式的態密度分布
原來這類材料有一個共同的特點，他們的價帶與導帶只有微微的重疊，且其中載流子濃度非常小 ，稱為半金屬。更重要的是，他們在費米面附近具有線性的色散關係，就是狄拉克點啦！大名鼎鼎的狄拉克點吼不吼啊？！這樣呢，其中電子的有效質量就非常小啦！極端一點，比如那些年我們一起追的女孩，不，熱點，名叫石墨烯，就是從HOPG上剝離下來的單原子層石墨啦，其中電子有效質量大概只有實際電子質量的1/20！不過，還有更可怕的事情——其中的電子波函數有一個附加的幾何相位，稱為Berry Phase——這個有點複雜就不展開了。重點是，有了這個相位，它有了第0 個朗道能級！！就在狄拉克點上！這與諧振子形式的朗道能級大大的不一樣啊有木有！這直接導致其中費米面一下一個朗道能級能量範圍內的電子全部在磁場中升高能量！是全部哦！抗磁性一下子就大大的增強了！具體有點複雜哦……石墨烯這個最簡單的例子都弄了一堆公式……小編數學不好，看見公式就頭大，感興趣的朋友們請參考文獻[2]吧。
你一定很好奇激光照它為什麼會動！
不過光讓石墨烯在磁場中懸浮起來不算啥。誰說城裡人會玩兒？我們村裡人也很會玩好不好！大名鼎鼎的黑科技集散地中關村有木有！
文獻[1]從實驗上、文獻[2]從理論上說明，溫度增高，抗磁性會減弱。文獻[2]還說，費米面的移動更是對抗磁性有著炒雞敏感的作用！費米面一點輕微的移動就要導致抗磁性量級的變化！！！有了抗磁，有了懸浮，還缺什麼呢？上帝說要有光，於是便有了光！光可以產生熱，光還可以讓電子激發。前者改變溫度，後者改變費米面！這下可好，光照就成了石墨抗磁性的第一殺手！！！這麼暗黑的科技小編怎麼能錯過？怎麼能不在大家面前裝……裝做很厲害的樣子？（想到這裡，感覺自己胸前的紅領巾更鮮艷了呢……）咳咳，一束激光找下去，懸浮的HOPG片一側被照亮，對抗磁性造成10000點傷害。本來本來在磁場中四平八穩處於平衡態的石墨片失去了一側的支撐，向著被照到的一側前進了。對，其它地方抗磁性沒變，光照的地方變弱了，這樣其他地方就一起把它推向了抗磁減弱的方向，一起追逐光明去了……
這是參考文獻，感興趣的同學一定要看哦~
[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).
說了這麼多，我想你的表情可能是這樣的…
沒有關係~總有能看懂的不是嘛~
華麗的分割線~
感謝@Cmeng 在拍攝過程中的技術支持！
特别致謝 來自我所A02組的Dr. 李學苑的學術指導（本文基於其學術成果完成）！
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