Как работает квантовая левитация

Некоторые видео в интернете показывают нечто, называемое «квантовой левитацией». Что это? Как это работает? Сможем ли мы иметь летающие машины?

Квантовая левитация, как ее называют, - это процесс, в котором ученые используют свойства квантовая физика левитировать объект (в частности, сверхпроводник) через магнитный источник (в частности, трек квантовой левитации, предназначенный для этой цели).

Причиной этого является то, что называется Эффект Мейснера и закрепление магнитного потока. Эффект Мейснера диктует, что сверхпроводник в магнитном поле всегда будет вытеснять магнитное поле внутри него и, таким образом, изгибать магнитное поле вокруг него. Проблема заключается в равновесии. Если бы вы просто поместили сверхпроводник поверх магнита, то сверхпроводник просто уплыл бы магнит, вроде как пытаясь сбалансировать два южных магнитных полюса стержневых магнитов друг против друга Другой.

Процесс квантовой левитации становится намного более интригующим благодаря процессу закрепления потока или квантовой блокировки, как описано группой сверхпроводников Тель-Авивского университета следующим образом:

Сверхпроводимость и магнитное поле [sic] не любят друг друга. Когда это возможно, сверхпроводник изгонит все магнитное поле изнутри. Это эффект Мейснера. В нашем случае, поскольку сверхпроводник очень тонкий, магнитное поле проникает. Тем не менее, это делает это в дискретных количествах (это квантовая физика в конце концов! называются флюс-трубками. Внутри каждой магнитной трубки сверхпроводимость локально разрушается. Сверхпроводник будет стараться удерживать магнитные трубки в слабых местах (например, на границах зерен). Любое пространственное движение сверхпроводника приведет к движению трубок. Чтобы предотвратить это, сверхпроводник остается "пойманным в ловушку" в воздухе. Термины «квантовая левитация» и «квантовая блокировка» были придуманы для этого процесса физиком Тель-Авивского университета Гаем Дойчером, одним из ведущих исследователей в этой области.

Давайте подумаем о том, что на самом деле представляет собой сверхпроводник: это материал, в котором электроны могут течь очень легко. Электроны протекают через сверхпроводники без сопротивления, поэтому, когда магнитные поля приближаются к сверхпроводящий материал, сверхпроводник формирует небольшие токи на своей поверхности, подавляя поступающие магнитное поле. В результате напряженность магнитного поля внутри поверхности сверхпроводника точно равна нулю. Если вы отобразите линии магнитного поля, это покажет, что они огибают объект.

Но как это заставляет его подниматься?

Когда сверхпроводник помещен на магнитную дорожку, эффект состоит в том, что сверхпроводник остается выше дорожки, по существу, отталкивается сильным магнитным полем прямо на дорожке поверхность. Разумеется, существует предел того, насколько далеко над дорожкой его можно протолкнуть, поскольку сила магнитного отталкивания должна противодействовать силе сила тяжести.

Диск сверхпроводника первого типа продемонстрирует эффект Мейснера в его наиболее экстремальной версии, который называется "совершенным диамагнетизмом", и не будет содержать никаких магнитных полей внутри материал. Он будет левитировать, пытаясь избежать любого контакта с магнитным полем. Проблема в том, что левитация не стабильна. Левитирующий объект обычно не остается на месте. (Этот же процесс смог поднять сверхпроводники внутри вогнутого свинцового магнита в форме чаши, в котором магнетизм одинаково толкает со всех сторон.)

Чтобы быть полезным, левитация должна быть немного более устойчивой. Вот где квантовая блокировка вступает в игру.

Одним из ключевых элементов процесса квантовой блокировки является существование этих флюсовых трубок, называемых «вихрями». Если сверхпроводник очень тонкий или сверхпроводник является сверхпроводником II типа, он потребляет меньше энергии сверхпроводника, чтобы позволить некоторому магнитному полю проникать в сверхпроводник. Вот почему вихри магнитного потока образуются в областях, где магнитное поле способно «проскользнуть» через сверхпроводник.

В случае, описанном тель-авивской командой выше, им удалось вырастить специальную тонкую керамическую пленку на поверхности пластины. При охлаждении этот керамический материал является сверхпроводником второго типа. Из-за того, что он такой тонкий, выставленный диамагнетизм не идеален... с учетом создания этих вихрей потока, проходящих через материал.

Вихри потока также могут образовываться в сверхпроводниках второго типа, даже если материал сверхпроводника не такой тонкий. Сверхпроводник типа II может быть разработан для усиления этого эффекта, который называется «усиленное закрепление магнитного потока».

Когда поле проникает в сверхпроводник в виде трубки флюса, оно по существу отключает сверхпроводник в этой узкой области. Изобразите каждую трубку в виде крошечной области сверхпроводника внутри середины сверхпроводника. Если сверхпроводник движется, потоки вихрей будут двигаться. Помните две вещи:

1. вихри потока магнитные поля
2. сверхпроводник будет создавать токи для противодействия магнитным полям (то есть эффект Мейснера)

Сам материал сверхпроводника создаст силу, которая будет препятствовать движению любого рода относительно магнитного поля. Например, если вы наклоните сверхпроводник, вы «заблокируете» или «захватите» его в это положение. Он обойдет всю трассу с одинаковым углом наклона. Этот процесс блокировка сверхпроводника на месте по высоте и ориентации уменьшает любое нежелательное колебание (а также визуально впечатляет, как показывает Университет Тель-Авива).

Вы можете переориентировать сверхпроводник в магнитном поле, потому что ваша рука может прикладывать гораздо больше силы и энергии, чем то, что воздействует на поле.

Процесс квантовой левитации, описанный выше, основан на магнитном отталкивании, но были предложены другие методы квантовой левитации, включая некоторые, основанные на эффекте Казимира. Опять же, это включает в себя некоторые любопытные манипуляции с электромагнитными свойствами материала, поэтому еще предстоит выяснить, насколько это практично.

К сожалению, текущая интенсивность этого эффекта такова, что у нас не будет летающих машин в течение достаточно долгого времени. Кроме того, он работает только в сильном магнитном поле, а это значит, что нам нужно будет строить новые дороги с магнитными дорожками. Однако в Азии уже есть поезда с магнитной левитацией, которые используют этот процесс в дополнение к более традиционным поездам с электромагнитной левитацией (маглев).

Еще одним полезным приложением является создание по-настоящему подшипников качения. Подшипник мог бы вращаться, но он был бы подвешен без прямого физического контакта с окружающим корпусом, чтобы не было никакого трения. Для этого, безусловно, будет несколько промышленных приложений, и мы будем держать их открытыми, когда они появятся в новостях.

В то время как первоначальное видео на YouTube получило широкую популярность на телевидении, одно из первых появлений в реальной культуре настоящей квантовой левитации было в эпизоде ​​Стивена Колберта 9 ноября. Отчет КолбертаКомедия Центральное сатирическое политологическое шоу. Кольбер привел ученого доктора Мэтью С. Sullivan из физического факультета колледжа Итака. Кольбер объяснил своим слушателям науку о квантовой левитации следующим образом:

Как я уверен, вы знаете, квантовая левитация относится к явлению, при котором линии магнитного потока протекающие через сверхпроводник типа II закреплены на месте, несмотря на электромагнитные силы, действующие на них. Я узнал это изнутри кепки Snapple. Затем он продолжил поднимать мини-чашку со вкусом мороженого своей мечты Стефана Колберта. Он смог сделать это, потому что они поместили сверхпроводящий диск в дно чашки с мороженым. (Простите, что отказался от призрака, Кольбер. Спасибо доктору Салливану за то, что он рассказал нам о науке, стоящей за этой статьей!)