Kako funkcionira kvantna levitacija

Neki videozapisi na internetu pokazuju nešto što se naziva "kvantna levitacija". Što je to? Kako radi? Hoćemo li moći imati leteće automobile?

Kvantna levitacija kako je nazvana je proces u kojem znanstvenici koriste svojstva kvantna fizika levitalizirati objekt (konkretno, a supravodiča) preko magnetski izvor (posebno za kvantitativnu levitaciju namijenjenu za tu svrhu).

Razlog zbog kojeg to djeluje je nešto što se zove Meissnerov efekt i fiksiranje magnetskim fluksom. Meissnerov efekt nalaže da superprevodnik u magnetskom polju uvijek izbacuje magnetsko polje unutar njega i tako savija magnetsko polje oko njega. Problem je pitanje ravnoteže. Ako ste upravo postavili superprevodnik na magnet, tada će superprevodnik samo isplivati magnet, nalik na pokušaj uspostavljanja ravnoteže dvaju južnih magnetskih pola magnetskih stupova druge.

Postupak kvantne levitacije postaje mnogo intrigantniji kroz proces fiksiranja fluksa ili kvantnog zaključavanja, kako je superprevodnička grupa sa Sveučilišta Tel Aviv opisala na ovaj način:

Superprevodljivost i magnetsko polje [sic] ne vole se. Kad je to moguće, supravodič će izbaciti sve magnetsko polje iznutra. Ovo je Meissnerov efekt. U našem slučaju, budući da je superprevodnik izuzetno tanak, magnetsko polje DOSTE prodre. Međutim, on to radi u diskretnim količinama (to je kvantna fizika nakon svega! ) zvane flux cijevi. Unutar svake cijevi magnetskog fluksa superprovodljivost je lokalno uništena. Superprevodnik će pokušati držati magnetske cijevi prikovanim za slaba područja (npr. Granice zrna). Svako prostorno kretanje supravodiča uzrokovat će pomicanje cijevi fluksa. Kako bi se spriječilo da supravodič ostane "zarobljen" u zraku. Pojmove "kvantna levitacija" i "kvantno zaključavanje" skovao je za ovaj postupak fizičar sa Sveučilišta u Tel Avivu Guy Deutscher, jedan od vodećih istraživača na ovom polju.

Razmislimo o tome što je u stvari superprevodnik: to je materijal u kojem elektroni mogu lako teći. Elektroni teku kroz superprevodnike bez otpora, tako da kad se magnetska polja približe a supravodivim materijalom, superprovodnik tvori male struje na svojoj površini, poništavajući dolaznu struju magnetsko polje. Rezultat toga je da je intenzitet magnetskog polja unutar površine supravodiča točno nula. Ako preslikate linije neto magnetskog polja, to bi pokazalo da se oni savijaju oko objekta.

Ali kako to čini levitaciju?

Kad se superprevodnik postavi na magnetsku stazu, učinak je da supravodič ostaje iznad kolosijeka, u osnovi ga potiskuje snažno magnetsko polje pravo na stazu površinski. Naravno, postoji ograničenje koliko daleko se staza može gurnuti, jer snaga magnetskog odbijanja mora suzbiti silu gravitacija.

Disk superprevodnika tipa I pokazat će Meissnerov učinak u najekstremnijoj verziji, koji se naziva "savršenim dijamagnetizmom", i neće sadržavati nikakva magnetska polja unutar materijal. Levitraće jer pokušava izbjeći bilo kakav kontakt s magnetskim poljem. Problem s tim je što levitacija nije stabilna. Objekt za levitaciju obično neće ostati na mjestu. (Taj isti postupak uspio je potaknuti nadprovodnike unutar konkavnog olovnog magneta u obliku zdjelice u kojem se magnetizam gura na sve strane.)

Da bi bila korisna, levitacija mora biti malo stabilnija. Tu dolazi do izražaja kvantno zaključavanje.

Jedan od ključnih elemenata kvantnog zaključavanja je postojanje ovih fluksnih cijevi, nazvanih "vrtlog". Ako je superprevodnik vrlo tanak, ili ako je supravodiči super-provodnik tipa II, to košta superduktor manje energije kako bi neki magnetski polje mogao prodrijeti u supravodič. Zato se formiraju vrtlozi fluksa, u područjima u kojima je magnetsko polje u stanju "provući" supravodič.

U slučaju koji je gore opisao tim iz Tel Aviva, mogli su uzgajati poseban tanki keramički film preko površine rezanja. Kad se ohladi, ovaj keramički materijal je superprovodnik tipa II. Budući da je tako tanka, izloženi dijamantizam nije savršen... omogućujući stvaranje ovih vrtloga protoka koji prolaze kroz materijal.

Flux vrtlozi mogu se oblikovati i u superprovodnicima tipa II, čak i ako materijal superprevodnika nije baš tako tanak. Superprevodnik tipa II može biti dizajniran da pojača taj učinak, nazvan "pojačanim fiksiranjem fluksa".

Kad polje prodre u supravodič u obliku cijevi s fluksom, ono u suštini isključuje supravodič u tom uskom području. Zamislite svaku cijev kao sićušno, ne-supravodobno područje u sredini supravodiča. Ako se supravodič pomiče, vrtjet će se fluidi. Zapamtite dvije stvari:

1. fluorescentni vrtlozi su magnetska polja
2. superprevodnik će stvoriti struju za suzbijanje magnetskih polja (tj. Meissnerov efekt)

Sam materijal superprevodnika stvorit će silu da inhibira bilo kakvo kretanje u odnosu na magnetsko polje. Na primjer, ako nagnete supravodič, "zaključati" ćete ga ili "zarobiti" u tom položaju. Obići će cijelu stazu s istim kutom nagiba. Taj proces od zaključavanjem supravodiča na mjestu visinom i orijentacijom smanjuje sve nepoželjne kolebanje (a također je i vizualno dojmljivo, što pokazuje Sveučilište Tel Aviv.)

Superkonduktor možete preusmjeriti u magnetskom polju jer ruka može primijeniti mnogo više sile i energije od onoga što polje djeluje.

Gore opisani postupak kvantne levitacije temelji se na magnetskoj odbijanju, ali postoje i druge metode kvantne levitacije koje su predložene, uključujući i neke temeljene na Casimirovom učinku. Opet, to uključuje neke znatiželjne manipulacije elektromagnetskim svojstvima materijala, pa ostaje vidjeti koliko je to praktično.

Nažalost, trenutni intenzitet ovog učinka je takav da nećemo imati leteće automobile još dugo vremena. Također, djeluje samo na jakom magnetskom polju, što znači da bismo trebali graditi nove magnetske ceste. Međutim, u Aziji već postoje vozovi za magnetsko levitaciju koji koriste ovaj postupak, osim tradicionalnijih vlakova za elektromagnetsku levitaciju (maglev).

Još jedna korisna aplikacija je stvaranje istinski ležajeva bez trenja. Ležaj bi se mogao okretati, ali bi ga ovjesio bez izravnog fizičkog kontakta s okolnim kućištem kako ne bi došlo do trenja. Za to će se sigurno naći neke industrijske aplikacije, a mi ćemo držati oči otvorene kad dođu do vijesti.

Dok je početni YouTube videozapis imao dosta reprodukcije na televiziji, jedan od najranijih pojavljivanja stvarne kvantne levitacije u popularnoj kulturi dogodio se 9. novembra u epizodi Stephena Colberta Colbertovo izvješće, satirični politički punditski show Comedy Central. Colbert je doveo znanstvenika Dr. Matthew C. Sullivan s odjela za fiziku koledža Ithaca. Colbert je svojoj publici objasnio nauku koja stoji iza kvantne levitacije na ovaj način:

Kao što sam siguran da znate, kvantna levitacija odnosi se na fenomen kojim se crte magnetskog toka koji prolaze kroz superprevodnik tipa II učvršćeni su na mjestu unatoč djelovanju elektromagnetskih sila na njih. Saznao sam da je iznutra kapa Snapple. Zatim je levitalizirao mini šalicu okusa sladoleda Stephena Colberta američkog sladoleda. Bio je u mogućnosti to učiniti jer su u dno šalice sladoleda stavili supravodljivi disk. (Oprosti što odustajem od duha, Colberte. Hvala dr. Sullivan na razgovoru s nama o znanosti koja stoji iza ovog članka!)