Kaip veikia kvantinė levitacija

Kai kurie vaizdo įrašai internete rodo tai, kas vadinama „kvantine levitacija“. Kas čia? Kaip tai veikia? Ar galėsime turėti skraidančius automobilius?

Kvantinė levitacija, kaip ji vadinama, yra procesas, kai mokslininkai naudoja Kvantinė fizika paaukoti objektą (konkrečiai, a superlaidininkas) virš magnetinis šaltinis (specialiai tam tikslui sukurtas kvantinės levitacijos takelis).

Priežastis, kodėl tai veikia, yra vadinama Meissnerio efektas ir magnetinio srauto sujungimas. Meissnerio efektas diktuoja, kad superlaidininkas magnetiniame lauke visada išsklaidys jo viduje esantį magnetinį lauką ir taip sulenks aplink jį esantį magnetinį lauką. Problema yra pusiausvyros klausimas. Jei ant viršaus uždėtumėte superlaidininką ant magneto, tada superlaidininkas tiesiog plūduruotų magnetas, tarsi bandant subalansuoti du pietinius magnetinius juostų magnetų polius prieš kiekvieną kita.

Kvantinės levitacijos procesas tampa kur kas labiau intriguojantis per srauto rišimo ar kvantinio fiksavimo procesą, kurį Tel Avivo universiteto superlaidininkų grupė aprašė tokiu būdu:

Superlaidumas ir magnetinis laukas [sic] nepatinka vienas kitam. Jei įmanoma, superlaidininkas išsklaidys visą magnetinį lauką iš vidaus. Tai yra Meissnerio efektas. Mūsų atveju, kadangi superlaidininkas yra ypač plonas, magnetinis laukas DOES prasiskverbia. Tačiau tai daroma atskirais kiekiais (tai yra Kvantinė fizika po visko! ) vadinami srauto vamzdeliais. Kiekvieno magnetinio srauto vamzdžio vidinis laidumas sunaikinamas. Superlaidininkas stengsis, kad magnetiniai vamzdeliai būtų pritvirtinti silpnose vietose (pvz., Grūdų ribose). Bet koks erdvinis superlaidininko judesys sukels srauto vamzdžių judėjimą. Siekiant išvengti, kad superlaidininkas liktų „įstrigęs“ kitame. Sąvokas „kvantinė levitacija“ ir „kvantinis blokavimas“ šiam procesui sugalvojo Tel Avivo universiteto fizikas Guy'as Deutscheris, vienas iš pagrindinių šios srities tyrinėtojų.

Pagalvokime, kas iš tikrųjų yra superlaidininkas: tai medžiaga, kurioje elektronai sugeba labai lengvai tekėti. Elektronai teka per superlaidininkus, neturinčius varžos, taigi, kai magnetiniai laukai priartėja prie a superlaidžioji medžiaga, superlaidininkas į jo paviršių formuoja mažas sroves, pašalindamas įeinančiąją magnetinis laukas. Rezultatas yra tas, kad superlaidininko paviršiaus magnetinio lauko intensyvumas yra tiksliai lygus nuliui. Jei pažymėtumėte grynojo magnetinio lauko linijas, tai parodytų, kad jos lenkiasi aplink objektą.

Bet kaip tai priverčia levitaciją?

Kai superlaidininkas dedamas ant magnetinio takelio, superlaidininkas išlieka virš bėgių kelio, iš esmės jį atstumia stiprus magnetinis laukas ties taku paviršius. Žinoma, kiek aukščiau bėgio kelio jis gali būti pastumtas, nes magnetinio atstumo jėga turi neutralizuoti gravitacija.

I tipo superlaidininko diskas parodys Meissner efektą pačia kraštutine versija, kuris vadinamas „tobulu diamagnetizmu“ ir kuriame nebus jokių magnetinių laukų medžiaga. Jis levitavo, nes stengiasi išvengti bet kokio kontakto su magnetiniu lauku. Problema yra ta, kad levitacija nėra stabili. Levituojantis daiktas paprastai nestovės vietoje. (Tuo pačiu procesu superlaidininkams pavyko pajudėti įgaubtame dubenio formos švino magnetu, kuriame magnetizmas stumiasi vienodai iš visų pusių.)

Kad levitacija būtų naudinga, ji turi būti šiek tiek stabilesnė. Štai kur prasideda kvantinis užraktas.

Vienas iš pagrindinių kvantinio blokavimo proceso elementų yra šių srauto vamzdžių, vadinamų „sūkuriu“, egzistavimas. Jei superlaidininkas yra labai plonas arba jei superlaidininkas yra II tipo superlaidininkas, superlaidininkui kainuoja mažiau energijos, kad dalis magnetinio lauko galėtų prasiskverbti į superlaidininką. Štai kodėl srauto sūkuriai susidaro tose vietose, kur magnetinis laukas iš tikrųjų gali „praslysti“ per superlaidininką.

Aukščiau Tel Avivo komandos aprašytu atveju virš vaflinio paviršiaus jie sugebėjo užauginti specialią ploną keraminę plėvelę. Aušinant ši keraminė medžiaga yra II tipo superlaidininkas. Kadangi jis yra toks plonas, eksponuojamas diamagnetizmas nėra tobulas... leidžianti sukurti šiuos srauto sūkurius, praeinančius per medžiagą.

Flux sūkuriai taip pat gali susidaryti II tipo superlaidintuvuose, net jei superlaidininko medžiaga nėra tokia jau plona. II tipo superlaidininkas gali būti suprojektuotas sustiprinti šį efektą, vadinamą „sustiprintu srauto sujungimu“.

Kai laukas prasiskverbia į superlaidininką srauto vamzdžio pavidalu, jis iš esmės išjungia superlaidininką toje siauroje srityje. Pavaizduokite kiekvieną mėgintuvėlį kaip mažą superlaidininko sritį superlaidininko viduryje. Jei superlaidininkas juda, srautiniai sūkuriai judės. Vis dėlto atsiminkite du dalykus:

1. srauto sūkuriai yra magnetiniai laukai
2. superlaidininkas sukuria sroves, kad galėtų atremti magnetinius laukus (t. y. Meissnerio efektas)

Pati superlaidi medžiaga pati sukurs jėgą, slopinančią bet kokį judesį magnetinio lauko atžvilgiu. Pavyzdžiui, pakreipę superlaidininką, jūs jį „užfiksuosite“ arba „įstrigsite“ į tą padėtį. Jis apvažiuos visą trasą tuo pačiu pasvirimo kampu. Šis procesas užrakindamas superlaidininką vietoje pagal aukštį ir orientaciją sumažina nepageidaujamą voblerį (ir taip pat yra vizualiai įspūdingas, kaip parodė Tel Avivo universitetas).

Jūs galite perorientuoti superlaidininką magnetiniame lauke, nes jūsų ranka gali panaudoti daug daugiau jėgos ir energijos nei tai, ką veikia laukas.

Aukščiau aprašytas kvantinės levitacijos procesas grindžiamas magnetine repulsija, tačiau yra ir kitų siūlomų kvantinės levitacijos metodų, įskaitant tuos, kurie pagrįsti Kazimiro efektu. Vėlgi, tai apima tam tikrą smalsų manipuliavimą medžiagos elektromagnetinėmis savybėmis, todėl belieka įsitikinti, kokia ji praktiška.

Deja, dabartinis šio efekto intensyvumas yra toks, kad ilgą laiką neturėsime skraidančių automobilių. Be to, jis veikia tik esant stipriam magnetiniam laukui, tai reiškia, kad mums reikės nutiesti naujus magnetinio kelio kelius. Tačiau Azijoje jau yra magnetinių levitacijos traukinių, naudojančių šį procesą, be tradicinių elektromagnetinės levitacijos (maglev) traukinių.

Kitas naudingas pritaikymas yra iš tikrųjų trinties guolių sukūrimas. Guolis galėtų suktis, tačiau jis būtų pakabinamas be tiesioginio fizinio kontakto su aplinkiniu korpusu, kad nebūtų jokios trinties. Tam tikrai bus keletas pramoninių pritaikymų, ir mes nuolat žiūrėsime į juos, kai jie pateks į naujienas.

Nors pradinis „YouTube“ vaizdo įrašas buvo daug suvaidintas per televiziją, vienas iš ankstyviausių populiariosios kultūros realios kvantinės levitacijos pasirodymų buvo lapkričio 9 d. Stepono Colberto filme. Kolberto pranešimas, „Comedy Central“ satyrinio politinio pundito šou. Colbertas atvežė mokslininką dr. Matthew C. Sullivanas iš Ithakos koledžo fizikos skyriaus. Colbertas savo auditorijai paaiškino kvantinės levitacijos mokslą tokiu būdu:

Kaip aš tikiu, jūs žinote, kvantinė levitacija reiškia reiškinį, kurį sukelia magnetinio srauto linijos tekančios per II tipo superlaidininką, yra pritvirtintos vietoje, nepaisant veikiančių elektromagnetinių jėgų ant jų. Tai sužinojau iš „Snapple“ dangtelio vidaus. Tada jis pradėjo levitati mini Stepheno Colberto „Americone Dream“ ledų skonio puodelį. Jis sugebėjo tai padaryti, nes jie buvo sudėję superlaidų diską ledų taurės dugne. (Atsiprašau, kad atsisakiau vaiduoklio, Colbertas. Ačiū dr. Sullivan už kalbėjimą su mumis apie šio straipsnio pagrindus!)