Как работи квантовата левитация

Някои видеоклипове в интернет показват нещо, наречено „квантова левитация“. Какво е това? Как работи? Ще можем ли да имаме летящи коли?

Квантовата левитация, както я наричат, е процес, при който учените използват свойствата на квантова физика за левитация на обект (конкретно, a свръхпроводник) над магнитен източник (по-специално квантова левитационна песен, предназначена за тази цел).

Причината това работи е нещо, наречено the Ефект на Майснер и магнитно фиксиране на потока. Ефектът на Майснер диктува, че свръхпроводник в магнитно поле винаги ще изтласква магнитното поле вътре в него и по този начин огъва магнитното поле около него. Проблемът е въпрос на равновесие. Ако просто поставихте свръхпроводник върху магнит, тогава свръхпроводникът просто ще отплува магнитът, нещо като опит да балансирате два южни магнитни полюса на магнитите на бара друг.

Процесът на квантова левитация става далеч по-интригуващ чрез процеса на фиксиране на потока или квантово заключване, както е описано от групата на суперпроводника на Университета в Тел Авив по този начин:

Свръхпроводимостта и магнитното поле [sic] не се харесват. Когато е възможно, свръхпроводникът ще изхвърли цялото магнитно поле отвътре. Това е ефектът на Майснер. В нашия случай, тъй като свръхпроводникът е изключително тънък, магнитното поле НЕ прониква. Това обаче прави това в дискретни количества (това е така квантова физика след всичко! ) наречени флюс тръби. Вътре във всяка тръба с магнитен поток свръхпроводимостта е локално разрушена. Свръхпроводникът ще се опита да задържи магнитните тръби, закрепени в слаби области (например граници на зърното). Всяко пространствено движение на свръхпроводника ще доведе до движение на поточните тръби. С цел да се предотврати, че свръхпроводникът остава „хванат“ в средата. Понятията „квантова левитация“ и „квантово заключване“ бяха измислени за този процес от физика от университета в Тел Авив Гай Дойчър, един от водещите изследователи в тази област.

Нека помислим какво всъщност представлява свръхпроводникът: това е материал, в който електроните могат да протичат много лесно. Електроните протичат през свръхпроводници без съпротивление, така че когато магнитните полета се доближават до a свръхпроводящ материал, свръхпроводникът образува малки токове по повърхността си, отменяйки входящите магнитно поле. Резултатът е, че интензитетът на магнитното поле вътре в повърхността на свръхпроводника е точно нула. Ако картографирате линиите на нетното магнитно поле, това ще покаже, че те се огъват около обекта.

Но как това го кара да левитира?

Когато свръхпроводник е поставен върху магнитна пътека, ефектът е, че свръхпроводникът остава над пистата, като по същество се изтласква от силното магнитно поле точно в посоката на пистата повърхност. Има ограничение колко далеч над пистата може да бъде избутан, разбира се, тъй като силата на магнитното отблъскване трябва да противодейства на силата на земно притегляне.

Диск от свръхпроводник тип I ще демонстрира ефекта на Майснер в най-екстремната му версия, който се нарича "перфектен диамагнетизъм" и няма да съдържа никакви магнитни полета вътре в материал. Той ще левитира, тъй като се опитва да избегне всякакъв контакт с магнитното поле. Проблемът с това е, че левитацията не е стабилна. Левитиращият обект обикновено няма да остане на мястото си. (Същият този процес е в състояние да левитира свръхпроводници в рамките на вдлъбнат оловен оловен магнит, в който магнетизмът се натиска еднакво от всички страни.)

За да бъде полезна, левитацията трябва да е малко по-стабилна. Именно там влиза в игра квантовото заключване.

Един от ключовите елементи на процеса на квантово заключване е съществуването на тези поточни тръби, наречени „вихър“. Ако свръхпроводникът е много тънък или ако свръхпроводникът е свръхпроводник тип II, това струва на суперпроводника по-малко енергия, за да позволи на част от магнитното поле да проникне в свръхпроводника. Ето защо флуидните вихри се образуват в региони, където магнитното поле е в състояние да "промъкне" свръхпроводника.

В случая, описан от екипа от Тел Авив по-горе, те успяха да израснат специален тънък керамичен филм върху повърхността на вафла. Когато се охлади, този керамичен материал е свръхпроводник тип II. Тъй като е толкова тънък, показаният диамагнетизъм не е перфектен... което позволява създаването на тези поточни вихри, преминаващи през материала.

Поточните вихри могат да се образуват и в свръхпроводници тип II, дори ако материалът на свръхпроводника не е толкова тънък. Свръхпроводникът тип II може да бъде проектиран за подобряване на този ефект, наречен „засилено притискане на потока“.

Когато полето проникне в свръхпроводника под формата на поточна тръба, то по същество изключва свръхпроводника в този тесен участък. Представете всяка тръба като мъничка не-свръхпроводникова област в средата на свръхпроводника. Ако свръхпроводникът се движи, поточните вихри ще се движат. Запомнете обаче две неща:

1. поточните вихри са магнитни полета
2. свръхпроводникът ще създаде токове за противодействие на магнитните полета (т.е. ефектът на Майснер)

Самият свръхпроводник материал ще създаде сила да инхибира всякакъв вид движение по отношение на магнитното поле. Ако наклоните свръхпроводника например, ще го „заключите“ или „прихванете“ в това положение. Той ще обиколи цяла писта със същия ъгъл на наклона. Този процес на заключване на свръхпроводника на място по височина и ориентация намалява всяко нежелано колебание (и е също така визуално впечатляващо, както показва Университетът в Тел Авив.)

Можете да преориентирате свръхпроводника в магнитното поле, защото ръката ви може да приложи много повече сила и енергия от това, което полето упражнява.

Процесът на квантова левитация, описан по-горе, се основава на магнитно отблъскване, но има и други методи за квантова левитация, които са предложени, включително някои, базирани на ефекта на Казимир. Отново това включва някои любопитни манипулации на електромагнитните свойства на материала, така че остава да се види колко практичен е той.

За съжаление, сегашната интензивност на този ефект е такава, че няма да имаме летящи автомобили от доста време. Също така, той работи само върху силно магнитно поле, което означава, че ще трябва да изградим нови пътища с магнитни коловози. В Азия обаче вече има влакове за магнитна левитация, които използват този процес, в допълнение към по-традиционните влакове за електромагнитна левитация (маглев).

Друго полезно приложение е създаването на наистина безфрикционни лагери. Лагерът би могъл да се върти, но ще бъде окачен без директен физически контакт с околния корпус, за да няма триене. Със сигурност ще има някои индустриални приложения за това и ние ще държим очите си отворени, когато попаднат на новините.

Докато първоначалният видеоклип в YouTube получи много възпроизвеждане по телевизията, една от най-ранните изяви на популярната култура за истинска квантова левитация беше на 9 ноември епизод на Стивън Колбърт Докладът на Колбърт, централно сатирично политическо шоу за комедия. Колбърт доведе учен д-р. Матей С. Съливан от катедрата по физика на колежа в Итака. Колбърт обясни на аудиторията си науката за квантовата левитация по този начин:

Както съм сигурен, че знаете, квантовата левитация се отнася до явлението, при което линиите на магнитния поток протичащи през свръхпроводник тип II са приковани на място въпреки действащите електромагнитни сили върху тях. Научих, че от вътрешната страна на капачката на Snapple. След това пристъпи към левитация на мини чаша от аромата на сладолед „Стивън Колбърт“ Americone Dream. Той беше в състояние да направи това, защото бяха поставили свръхпроводников диск в дъното на чашата за сладолед. (Съжалявам, че се отказах от призрака, Колбърт. Благодаря на д-р Съливан, че говори с нас за науката зад тази статия!)