Како функционира квантна левитација

Неки видео снимци на интернету показују нешто што се назива „квантна левитација“. Шта је ово? Како то функционише? Да ли ћемо моћи да имамо летеће аутомобиле?

Квантна левитација како је названа је процес у којем научници користе својства квантна физика за левитацију објекта (конкретно, а суперпреводник) преко магнетни извор (посебно за квантитет левитације дизајниран за ову сврху).

Разлог због којег ово функционира је нешто што се зове Меисснер ефекат и магнетно фиксирање. Меисснеров ефекат диктира да суперпреводник у магнетном пољу увек избацује магнетно поље унутар њега и тако савија магнетно поље око њега. Проблем је питање равнотеже. Ако само поставите суперпреводник на магнет, тада би суперпроводник лебдио магнет, налик на покушај балансирања два јужна магнетна пола бар-магнета наспрам сваког друго.

Процес квантне левитације постаје много интригантнији кроз процес фиксирања флукса или квантног закључавања, као што је на овај начин описала суперпреводничка група Универзитета у Тел Авиву:

Суперпроводљивост и магнетно поље [сиц] се не свиђају. Кад је то могуће, суперпроводник ће избацити цело магнетно поље изнутра. Ово је Меисснеров ефекат. У нашем случају, будући да је суперпроводник изузетно танак, магнетно поље ДОЖЕ продре. Међутим, то ради у дискретним количинама (то је квантна физика после свега! ) зване флук цеви. Унутар сваке цеви магнетног флукса суперпроводљивост је локално уништена. Суперпреводник ће покушати да магнетне цеви држи прикованим за слаба подручја (нпр. Границе зрна). Свако просторно кретање суправодичног водича проузроковаће помицање цијеви флукса. Да би се спречило да суправодич остане „заробљен“ у унутрашњости. Појмове „квантна левитација“ и „квантно закључавање“ сковао је у овом процесу физичар са Универзитета у Тел Авиву Гуи Деутсцхер, један од водећих истраживача у овој области.

Размислимо о томе шта у ствари јесте суперпреводник: то је материјал у којем су електрони у стању да проточе веома лако. Електрони теку кроз суперпреводнике без отпора, тако да када се магнетна поља приближе а суправодљивим материјалом, суперпроводник формира мале струје на својој површини и поништава долазну струју магнетно поље. Резултат тога је да је интензитет магнетног поља унутар површине суперпроводника тачно нула. Ако пресликате линије нето магнетног поља, то би показало да се савијају око објекта.

Али како то чини левитацију?

Када се суперпреводник постави на магнетну стазу, ефекат је да суперкондуктор остаје изнад стазе, у основи га гура јако магнетно поље тачно на стази површина. Наравно, постоји ограничење колико далеко може бити гурнута стаза, пошто снага магнетног одбијања мора да утиче на силу гравитација.

Диск супер-проводника типа И демонстрираће Меисснеров ефекат у најекстремнијој верзији, који се назива "савршеним дијамагнетизмом" и неће садржати никаква магнетна поља унутар материјал. Левит ће, јер покушава да избегне било какав контакт са магнетним пољем. Проблем са тим је што левитација није стабилна. Објекат за левитацију обично не остаје на месту. (Тај исти процес је успео да оживи суправодиче у оквиру конкавног, оловног магнета у облику посуде, у коме се магнетизам гура на све стране.)

Да би била корисна, левитација мора бити мало стабилнија. Ту долази до изражаја квантно закључавање.

Један од кључних елемената квантног закључавања је постојање ових флукс цеви, названих "вртлог". Ако је суперпреводник врло танак или је ако је суперпреводник супер-проводник типа ИИ, то кошта супер-проводник мање енергије да би неко магнетно поље могло да продре у суправодич. Зато флуоресцентни вртлози формирају, у регионима где је магнетно поље у стању да „провуче“ суперпреводник.

У случају који је горе описао тим из Тел Авива, могли су да узгајају специјални танки керамички филм преко површине резања. Када се охлади, овај керамички материјал је супер-проводник типа ИИ. Пошто је тако танка, изложени дијамантизам није савршен... омогућавајући стварање ових вртлога флукса који пролазе кроз материјал.

Флук вртлози могу да се формирају и у суперпроводницима типа ИИ, чак и ако суправодични материјал није толико танак. Супер-проводник типа ИИ може бити дизајниран да побољша овај ефекат, назван „појачаним фиксирањем флукса“.

Када поље продре у суперпроводник у облику флукс цеви, он у суштини искључује суперпроводник у том уском подручју. Сваку епрувету замислите као сићушно не-суправодобно подручје у средини суперпроводника. Ако се суправодич помера, проточни вртлози ће се померити. Запамтите, међутим, две ствари:

1. флуоресцентни вртлози су магнетна поља
2. суперпроводник ће створити струју за супротстављање магнетним пољима (тј. Меисснеров ефекат)

Сам материјал супер-проводника ће створити силу да инхибира било какво кретање у односу на магнетно поље. Ако на пример нагнете суправодич, тада ћете га „закључати“ или „заробити“ у том положају. Обићи ће читаву стазу под истим углом нагиба. Овај процес закључавањем суперпроводника на месту висином и оријентацијом смањује све непожељне колебање (а такође је и визуелно импресивно, што показује Универзитет у Тел Авиву.)

Суперкондуктор можете да усмерите унутар магнетног поља, јер ваша рука може применити много више силе и енергије од онога што поље делује.

Горе описани поступак квантне левитације заснован је на магнетном одбијању, али постоје и друге методе квантне левитације које су предложене, укључујући и неке засноване на Цасимировом ефекту. Опет, то укључује неке радознале манипулације електромагнетним својствима материјала, тако да остаје да се види колико је то практично.

Нажалост, тренутни интензитет овог ефекта је такав да дуго нећемо имати летеће аутомобиле. Такође, делује само преко јаког магнетног поља, што значи да ћемо требати да градимо нове магнетне путеве. Међутим, у Азији већ постоје возови за магнетну левитацију који користе овај процес, поред традиционалних возова за електромагнетну левитацију (маглев).

Још једна корисна примена је израда лежајева који заиста не садрже трење. Лежај би се могао окретати, али би се обесио без директног физичког контакта са околним кућиштем како не би дошло до трења. За то ће сигурно бити неких индустријских апликација, а ми ћемо држати отворене очи када дођу до вести.

Док је почетни ИоуТубе видео имао доста репродукције на телевизији, један од првих појављивања популарне културе стварне квантне левитације био је 9. новембра у епизоди Степхена Цолберта Извештај Цолберта, сатирични политички пундитски схов Цомеди Централ. Цолберт је довео научника Др. Маттхев Ц. Сулливан са одељења за физику колеџа Итхаца. Цолберт је својој публици објаснио науку која стоји иза квантне левитације на овај начин:

Колико сам сигуран да знате, квантна левитација односи се на феномен магнетног флукса који тече кроз супер-проводник типа ИИ причвршћен је на месту упркос дејству електромагнетних сила на њих. То сам сазнао са унутрашњости капке за снаппле. Затим је левитализовао мини шалицу ароматизираног сладоледа америчког Снова Степхена Цолберта. То је могао да уради зато што су у дно чаше за сладолед поставили суправодични диск. (Жао ми је што одустајем од духа, Цолберт. Хвала др Сулливан-у што је разговарао са нама о науци која стоји иза овог чланка!)