Jak działa lewitacja kwantowa

Niektóre filmy w Internecie pokazują coś, co nazywa się „lewitacją kwantową”. Co to jest? Jak to działa? Czy będziemy w stanie mieć latające samochody?

Lewitacja kwantowa, jak się ją nazywa, jest procesem, w którym naukowcy wykorzystują właściwości Fizyka kwantowa lewitować obiekt (w szczególności a nadprzewodnik) ponad źródło magnetyczne (w szczególności tor lewitacji kwantowej zaprojektowany do tego celu).

Powodem tego jest tak zwane Efekt Meissnera i przypinanie strumienia magnetycznego. Efekt Meissnera nakazuje, aby nadprzewodnik w polu magnetycznym zawsze wyrzucał znajdujące się w nim pole magnetyczne, a tym samym zginał pole magnetyczne wokół niego. Problemem jest kwestia równowagi. Jeśli po prostu umieścisz nadprzewodnik na magnesie, wówczas nadprzewodnik po prostu odpłynie magnes, coś w rodzaju próby zrównoważenia dwóch południowych biegunów magnetycznych magnesów prętowych względem siebie inny.

Proces lewitacji kwantowej staje się o wiele bardziej intrygujący dzięki procesowi przypinania strumienia lub blokowania kwantowego, jak opisano w ten sposób przez grupę nadprzewodników Uniwersytetu w Tel Awiwie:

Nadprzewodnictwo i pole magnetyczne [sic] nie lubią się. Jeśli to możliwe, nadprzewodnik wyrzuci całe pole magnetyczne z wnętrza. To jest efekt Meissnera. W naszym przypadku, ponieważ nadprzewodnik jest wyjątkowo cienki, pole magnetyczne DOES przenika. Robi to jednak w dyskretnych ilościach (to jest Fizyka kwantowa w sumie! ) zwane lampami topnikowymi. Wewnątrz każdej lampy magnetycznej nadprzewodnictwo jest miejscowo niszczone. Nadprzewodnik będzie próbował przytrzymać rurki magnetyczne w słabych obszarach (np. Granice ziaren). Jakikolwiek ruch przestrzenny nadprzewodnika spowoduje ruch rurki topnika. Aby zapobiec sytuacji, w której nadprzewodnik pozostaje „uwięziony” w powietrzu. Terminy „lewitacja kwantowa” i „blokada kwantowa” zostały ukute w tym procesie przez fizyka z Uniwersytetu w Tel Awiwie Guy Deutschera, jednego z wiodących badaczy w tej dziedzinie.

Zastanówmy się, czym tak naprawdę jest nadprzewodnik: jest to materiał, w którym elektrony mogą bardzo łatwo przepływać. Elektrony przepływają przez nadprzewodniki bez oporu, tak że gdy pola magnetyczne zbliżają się do a nadprzewodzący materiał, nadprzewodnik wytwarza na swojej powierzchni małe prądy, niwelując przychodzące pole magnetyczne. W rezultacie natężenie pola magnetycznego wewnątrz powierzchni nadprzewodnika wynosi dokładnie zero. Jeśli zamapowałeś linie pola magnetycznego netto, pokazałoby to, że wyginają się one wokół obiektu.

Ale jak to sprawia, że ​​lewituje?

Gdy nadprzewodnik zostanie umieszczony na ścieżce magnetycznej, efekt będzie taki, że nadprzewodnik pozostanie powyżej toru, zasadniczo odpychany przez silne pole magnetyczne bezpośrednio na torze powierzchnia. Oczywiście istnieje granica tego, jak daleko ponad torem można go popchnąć, ponieważ siła odpychania magnetycznego musi przeciwdziałać sile powaga.

Dysk nadprzewodnika typu I pokaże efekt Meissnera w jego najbardziej ekstremalnej wersji, który nazywa się „doskonałym diamagnetyzmem” i nie będzie zawierał żadnych pól magnetycznych wewnątrz materiał. Będzie lewitował, próbując uniknąć jakiegokolwiek kontaktu z polem magnetycznym. Problem polega na tym, że lewitacja nie jest stabilna. Lewitujący obiekt zwykle nie pozostaje na swoim miejscu. (Ten sam proces był w stanie lewitować nadprzewodniki w wklęsłym magnesie ołowiowym w kształcie misy, w którym magnetyzm naciska jednakowo ze wszystkich stron.)

Aby być użytecznym, lewitacja musi być nieco bardziej stabilna. Właśnie tutaj wchodzi w grę blokowanie kwantowe.

Jednym z kluczowych elementów kwantowego procesu blokowania jest istnienie tych lamp topnikowych, zwanych „wirami”. Jeśli nadprzewodnik jest bardzo cienki lub jeśli nadprzewodnik jest nadprzewodnikiem typu II, kosztuje on mniej energii, aby umożliwić przeniknięcie części pola magnetycznego do nadprzewodnika. Właśnie dlatego wiry strumienia powstają w obszarach, w których pole magnetyczne może w efekcie „prześlizgnąć się” przez nadprzewodnik.

W przypadku opisanym powyżej przez zespół z Tel Awiwu udało im się wyhodować specjalną cienką warstwę ceramiczną na powierzchni płytki. Po ochłodzeniu ten materiał ceramiczny jest nadprzewodnikiem typu II. Ponieważ jest tak cienki, wykazany diamagnetyzm nie jest idealny... pozwalając na tworzenie wirów przepływających przez materiał.

Wiry topnika mogą również tworzyć się w nadprzewodnikach typu II, nawet jeśli materiał nadprzewodnika nie jest tak cienki. Nadprzewodnik typu II można zaprojektować w celu wzmocnienia tego efektu, zwanego „wzmocnionym pinowaniem strumienia”.

Kiedy pole przenika do nadprzewodnika w postaci strumienia topnika, zasadniczo wyłącza nadprzewodnik w tym wąskim obszarze. Wyobraź sobie każdą lampę jako maleńki obszar bez nadprzewodnika w środku nadprzewodnika. Jeśli nadprzewodnik poruszy się, wiry strumienia zaczną się poruszać. Pamiętaj jednak o dwóch rzeczach:

1. wiry strumienia są polami magnetycznymi
2. nadprzewodnik wytworzy prądy przeciwdziałające polom magnetycznym (tj. efekt Meissnera)

Sam materiał nadprzewodnikowy wytworzy siłę hamującą każdy ruch w stosunku do pola magnetycznego. Na przykład przechylenie nadprzewodnika spowoduje „zablokowanie” lub „uwięzienie” go w tej pozycji. Obejdzie cały tor z tym samym kątem pochylenia. Ten proces blokowanie nadprzewodnika na miejscu przez wysokość i orientację zmniejsza wszelkie niepożądane wahania (i jest również imponujący wizualnie, jak pokazuje Uniwersytet Tel Awiw).

Jesteś w stanie zmienić orientację nadprzewodnika w polu magnetycznym, ponieważ twoja ręka może przyłożyć znacznie więcej siły i energii niż to, co wywiera pole.

Opisany powyżej proces lewitacji kwantowej opiera się na odpychaniu magnetycznym, ale zaproponowano inne metody lewitacji kwantowej, w tym niektóre oparte na efekcie Casimira. Ponownie wiąże się to z pewną dziwną manipulacją właściwościami elektromagnetycznymi materiału, więc okaże się, jak praktyczna jest.

Niestety, obecna intensywność tego efektu jest taka, że ​​nie będziemy mieć latających samochodów przez dłuższy czas. Działa również w silnym polu magnetycznym, co oznacza, że ​​musielibyśmy budować nowe drogi magnetyczne. Jednak w Azji istnieją już pociągi lewitacji magnetycznej, które wykorzystują ten proces, oprócz bardziej tradycyjnych pociągów lewitacji elektromagnetycznej (maglev).

Innym przydatnym zastosowaniem jest tworzenie naprawdę beztarciowych łożysk. Łożysko mogłoby się obracać, ale byłoby zawieszone bez bezpośredniego kontaktu fizycznego z otaczającą obudową, aby nie było tarcia. Na pewno pojawią się do tego pewne zastosowania przemysłowe, a my będziemy mieć oczy otwarte, kiedy znajdą się w wiadomościach.

Podczas gdy początkowe wideo na YouTube zyskało dużą popularność w telewizji, jednym z pierwszych wystąpień prawdziwej lewitacji kwantowej w kulturze popularnej był odcinek Stephena Colberta z 9 listopada Raport Colberta, satyryczny serial polityczny komedii Centralnej. Colbert przyniósł naukowca Dr. Matthew C. Sullivan z wydziału fizyki Ithaca College. Colbert wyjaśnił swoim odbiorcom naukę leżącą u podstaw lewitacji kwantowej w następujący sposób:

Jak zapewne wiesz, lewitacja kwantowa odnosi się do zjawiska, w którym linie strumienia magnetycznego przepływające przez nadprzewodnik typu II są wpięte w miejsce pomimo działania sił elektromagnetycznych na nich. Nauczyłem się tego od wewnątrz czapki Snapple. Następnie zaczął lewitować małą filiżankę smaku lodów Americone Dream Stephena Colberta. Był w stanie to zrobić, ponieważ umieścili dysk nadprzewodnika na dnie kubka z lodami. (Przepraszam za oddanie ducha, Colbert. Dzięki dr Sullivan za rozmowę z nami na temat nauki stojącej za tym artykułem!)