Kako deluje kvantna levitacija

Nekateri videoposnetki na internetu prikazujejo nekaj, kar se imenuje "kvantna levitacija". Kaj je to? Kako deluje? Ali bomo lahko imeli leteče avtomobile?

Kvantna levitacija, kot jo imenujejo, je postopek, pri katerem znanstveniki uporabljajo lastnosti kvantna fizika za levitacijo predmeta (natančneje, a superprevodnik) nad a magnetni vir (posebej skladba za kvantno levitacijo, zasnovana za ta namen).

Razlog, da to deluje, je nekaj, čemur se reče Meissnerjev učinek magnetno pretakanje Meissnerjev učinek narekuje, da superprevodnik v magnetnem polju vedno izžene magnetno polje znotraj njega in tako upogne magnetno polje okoli njega. Težava je stvar ravnovesja. Če bi ravno na magnet postavili superprevodnik, bi superprevodnik le odplaval magnet, kot bi poskušali uravnotežiti dva južna magnetna pola drogov drugo.

Postopek kvantne levitacije postane mnogo bolj intriganten s postopkom pritrditve toka ali kvantnega zaklepanja, kot ga na ta način opisuje superprevodniška skupina univerze v Tel Avivu:

Superprevodnost in magnetno polje [sic] se ne marata. Če je mogoče, bo superprevodnik izgnal vse magnetno polje od znotraj. To je Meissnerjev učinek. V našem primeru je, ker je superprevodnik izredno tanek, magnetno polje NE prodre. Vendar to počne v diskretnih količinah (to je to kvantna fizika konec koncev! ) imenovane flux cevi. Znotraj vsake cevi z magnetnim tokom je superprevodnost lokalno uničena. Superprevodnik bo poskušal magnetne cevi obdržati na šibkih območjih (npr. Meja zrn). Vsako prostorsko gibanje superprevodnika bo povzročilo premik cevi za pretok. Da bi preprečili, da bi superprevodnik ostal "ujet" v zraku. Izraza "kvantna levitacija" in "kvantno zaklepanje" je za ta postopek skoval fizik z univerze v Tel Avivu Guy Deutscher, eden vodilnih raziskovalcev na tem področju.

Pomislimo, kaj v resnici predstavlja superprevodnik: gre za material, v katerem lahko elektroni tečejo zelo enostavno. Elektroni tečejo skozi superprevodnike brez upora, tako da se magnetna polja približajo a superprevodni material, superprevodnik tvori majhne tokove na svoji površini, s čimer prekliče dohodne magnetno polje. Rezultat tega je, da je intenzivnost magnetnega polja znotraj površine superprevodnika natančno nič. Če bi preslikali čiste črte magnetnega polja, bi to pokazalo, da se okoli objekta upogibajo.

Toda kako to omogoča levitacijo?

Ko se superprevodnik postavi na magnetni tir, učinek ostane, da superprevodnik ostane nad stezo, ki jo močno magnetno polje v bistvu potisne tik ob progi površino. Seveda je omejitev, kako daleč nad stezo ga je mogoče potisniti, seveda, ker mora moč magnetnega odbijanja ustavljati silo gravitacija.

Disk superprevodnika tipa I bo pokazal Meissnerjev učinek v najbolj ekstremni različici, ki se imenuje "popolni diamagnetizem" in ne bo vseboval nobenih magnetnih polj znotraj material. Levitatira, saj se skuša izogniti kakršnemu koli stiku z magnetnim poljem. Težava pri tem je, da levitacija ni stabilna. Predmet za levitacijo običajno ne ostane na mestu. (Ta isti postopek je omogočil levitacijo superprevodnikov znotraj konkavnega svinčevega svinčevega magneta, v katerem magnetizem enako pritiska na vse strani.)

Da bi bila uporabna, mora biti levitacija nekoliko bolj stabilna. Tu pride v poštev kvantno zaklepanje.

Eden ključnih elementov kvantnega zaklepanja je obstoj teh cevi, imenovanih "vrtinec". Če je superprevodnik zelo tanek ali če je superprevodnik superprevodnik tipa II, to stane superprevodnik manj energije, da lahko del magnetnega polja prodre v superprevodnik. Zato tvorijo vrtinčni tokovi v regijah, kjer je magnetno polje dejansko lahko "zdrsne" skozi superprevodnik.

V primeru, ki ga je opisala ekipa iz Tel Aviva zgoraj, so lahko razvili poseben tanek keramični film nad površino rezin. Ko se ohladi, je ta keramični material superprevodnik tipa II. Ker je tako tanek, razstavljeni diamagnetizem ni popoln... ki omogočajo ustvarjanje teh vrtinčnih tokov, ki prehajajo skozi material.

Potočni vrtinci se lahko tvorijo tudi v superprevodnikih tipa II, tudi če material superprevodnika ni tako tanek. Superprevodnik tipa II je lahko zasnovan za izboljšanje tega učinka, imenovanega "izboljšano vpenjanje v toku".

Ko polje prodre v superprevodnik v obliki pretočne cevi, v bistvu izklopi superprevodnik v tem ozkem območju. Vsako cev si predstavljajte kot drobno območje, ki ne vsebuje superprevodnika, v sredini superprevodnika. Če se superprevodnik premakne, se bodo tokovi vrtincev premaknili. Ne pozabite pa na dve stvari:

1. pretočni vrtinci so magnetna polja
2. superprevodnik bo ustvaril tokove za zatiranje magnetnih polj (tj. Meissnerjev učinek)

Sam material superprevodnika ustvari silo, da zavira kakršno koli gibanje v povezavi z magnetnim poljem. Če na primer nagnete superprevodnik, ga boste "zaklenili" ali "zaskočili" v ta položaj. Hodila bo okoli celotne steze z istim kotom nagiba. Ta postopek pritrditev superprevodnika na svoje mesto glede na višino in usmerjenost zmanjšuje vsako nezaželeno nihanje (in je tudi vizualno impresivno, kot kaže Univerza v Tel Avivu.)

Superprevodnik lahko usmerite v magnetno polje, ker lahko z roko porabite veliko več sile in energije kot tisto, kar izvaja polje.

Zgoraj opisan postopek kvantne levitacije temelji na magnetnem odbijanju, vendar so predlagane druge metode kvantne levitacije, vključno z nekaterimi, ki temeljijo na učinku Casimirja. Spet to vključuje nekaj radovednih manipulacij z elektromagnetnimi lastnostmi materiala, zato še ni treba videti, kako praktičen je.

Na žalost je trenutna intenzivnost tega učinka takšna, da letečih avtomobilov ne bomo imeli še dolgo. Prav tako deluje le nad močnim magnetnim poljem, kar pomeni, da bomo morali zgraditi nove magnetne ceste. Vendar pa v Aziji že obstajajo vlaki za magnetno levitacijo, ki uporabljajo ta postopek poleg bolj tradicionalnih vlakov za elektromagnetno levitacijo (maglev).

Druga koristna aplikacija je ustvarjanje resnično brez trenja ležajev. Ležaj bi se lahko zavrtel, vendar bi ga bilo treba ob neposrednem fizičnem stiku z okoliškim ohišjem obesiti, da ne bi prišlo do trenja. Za to bo zagotovo nekaj industrijskih aplikacij in odprli bomo oči, ko bodo zadele novice.

Medtem ko je začetni YouTube video na televiziji dobil veliko predvajanja, je bil eden najzgodnejših popularnih kulturnih nastopov prave kvantne levitacije 9. novembra epizoda Stephena Colberta Colbertovo poročilo, satirično politično punditarsko predstavo Comedy Central. Colbert je pripeljal znanstvenika dr. Matthew C. Sullivan z oddelka za fiziko v kolegiju Ithaca. Colbert je svojemu občinstvu razložil znanost, ki stoji za kvantno levitacijo na ta način:

Kot sem prepričan, veste, da se kvantna levitacija nanaša na pojav magnetnega toka ki teče skozi superprevodnik tipa II, so pripeti na mestu, kljub delovanju elektromagnetnih sil na njih. Naučil sem se, da od znotraj kapa Snapple. Nato je nadaljeval levitacijo skodelice njegovega okusa sladoleda Stephena Colberta Americone Dream. To je zmogel, ker so na dno skodelice za sladoled postavili superprevodni disk. (Oprosti, da se odpovem duhu, Colbert. Hvala dr. Sullivanu, da je z nami govoril o znanosti, ki stoji za tem člankom!)