Kā darbojas kvantu levitācija

Dažos video internetā tiek parādīts kaut kas ar nosaukumu “kvantu levitācija”. Kas tas ir? Kā tas darbojas? Vai mums būs lidojošas automašīnas?

Kvantu levitācija, kā to sauc, ir process, kurā zinātnieki izmanto kvantu fizika objekta (jo īpaši a supravadītājs) virs a magnētiskais avots (īpaši šim mērķim izstrādāta kvantu levitācijas trase).

Iemesls, kāpēc tas darbojas, ir kaut kas, ko sauc par Meisnera efekts un magnētiskās plūsmas piespraušana. Meisnera efekts nosaka, ka supravadītājs magnētiskajā laukā vienmēr izraidīs magnētisko lauku tā iekšpusē un tādējādi salieks magnētisko lauku ap to. Problēma ir līdzsvara jautājums. Ja jūs vienkārši novietotu supravadītāju virs magnēta, tad supravadītājs vienkārši peldētu prom magnēts, it kā mēģinot līdzsvarot divus dienvidu magnētiskos stieņu magnētu polus pret katru citi.

Kvantu levitācijas process kļūst daudz intriģējošāks caur plūsmas piespraušanu jeb kvantu bloķēšanu, kā Telavivas universitātes supravadītāju grupa aprakstījusi šādā veidā:

Supravadītspēja un magnētiskais lauks [sic] nepatīk viens otram. Ja iespējams, supravadītājs izraidīs visu magnētisko lauku no iekšpuses. Tas ir Meisnera efekts. Mūsu gadījumā, tā kā supravadītājs ir ārkārtīgi plāns, magnētiskais lauks DOES iekļūst. Tomēr tas tiek darīts diskrētos daudzumos (tas ir kvantu fizika galu galā! ), ko sauc par plūsmas caurulēm. Katrā magnētiskās plūsmas caurules iekšējā vadītspēja tiek iznīcināta. Supravadītājs mēģinās magnētiskās caurules noturēt vājās vietās (piemēram, graudu robežas). Jebkura supravadītāja telpiskā kustība izraisīs plūsmas cauruļu pārvietošanos. Lai novērstu to, ka supravadītājs paliek "ieslodzīts" midairā. Termini "kvantu levitācija" un "kvantu bloķēšana" šim procesam tika izgudroti Telavivas universitātes fiziķim Gajam Deutsheram, vienam no vadošajiem pētniekiem šajā jomā.

Padomāsim par to, kas īsti ir supravadītājs: tas ir materiāls, kurā elektroni spēj ļoti viegli plūst. Elektroni plūst caur supravadītājiem bez pretestības, tā ka, kad magnētiskie lauki pietuvojas a supravadītspējīgs materiāls, supravadītājs uz tās virsmas veido nelielas strāvas, izslēdzot ienākošo magnētiskais lauks. Rezultātā magnētiskā lauka intensitāte supravadītāja virsmas iekšienē ir precīzi nulle. Ja jūs kartētu neto magnētiskā lauka līnijas, tas parādītu, ka tās noliecas ap objektu.

Bet kā tas padara to levitējošu?

Kad supravadītājs tiek novietots uz magnētiskā celiņa, efekts ir tāds, ka supravadītājs paliek virs sliežu ceļa, ko spēcīgs magnētiskais lauks faktiski izstumj tieši pie sliežu ceļa virsma. Protams, ir ierobežots tas, cik tālu virs sliežu ceļa to var virzīt, jo magnētiskās atgrūšanas spēkam ir jābūt neitrālam pret smagums.

I tipa supravadītāja disks demonstrēs Meissnera efektu tā ekstrēmākajā versijā, ko sauc par "perfektu diamagnētismu" un kas nesatur magnētiskos laukus materiāls. Tas pacelsies, jo mēģina izvairīties no jebkāda kontakta ar magnētisko lauku. Problēma ir tā, ka levitācija nav stabila. Levitējošais priekšmets parasti nepaliks savā vietā. (Šis pats process ir spējis atsaistīt supravadītājus ieliektā, bļoda formas svina magnētā, kurā magnētisms vienādi virzās uz visām pusēm.)

Lai levitācija būtu noderīga, tai jābūt nedaudz stabilākai. Tieši šeit tiek izmantota kvantu bloķēšana.

Viens no galvenajiem kvantu bloķēšanas procesa elementiem ir šo plūsmas caurulīšu esamība, ko sauc par “virpuli”. Ja supravadītājs ir ļoti plāns vai ja supravadītājs ir II tipa supravadītājs, tas maksā supravadītājam mazāk enerģijas, lai daļa magnētiskā lauka varētu iekļūt supravadītājā. Tāpēc plūsmas virpuļi veidojas reģionos, kur magnētiskais lauks faktiski var "izslīdēt" virs supravadītāja.

Iepriekš Telavivas komandas aprakstītajā gadījumā viņiem virs vafeles virsmas izdevās izaudzēt īpašu plānu keramikas plēvi. Atdzesējot, šis keramikas materiāls ir II tipa supravadītājs. Tā kā tas ir tik plāns, izstādītā diamagnētisms nav ideāls... ļaujot izveidot šos plūsmas virpuļus, kas iet caur materiālu.

Flux virpuļi var veidoties arī II tipa supravadītājos, pat ja supravadītāja materiāls nav tik plāns. II tipa supravadītāju var izveidot, lai pastiprinātu šo efektu, sauktu par “pastiprinātu plūsmas piesaisti”.

Kad lauks iekļūst supravadītājā plūsmas caurules formā, tas būtībā izslēdz supravadītāju šajā šaurā reģionā. Katru mēģeni nofotografējiet kā mazu super supravadītāja reģionu supravadītāja vidū. Ja supravadītājs pārvietojas, kustīsies plūsmas virpuļi. Tomēr atcerieties divas lietas:

1. plūsmas virpuļi ir magnētiskie lauki
2. supravadītājs radīs strāvas, lai pretotos magnētiskajiem laukiem (t.i., Meisnera efekts)

Pats supravadītāja materiāls pats radīs spēku, kas kavē jebkāda veida kustības attiecībā pret magnētisko lauku. Piemēram, ja jūs noliecat supravadītāju, jūs to "nofiksēsit" vai "ieslodzīsit" šajā pozīcijā. Tas iet pa visu trasi ar tādu pašu slīpuma leņķi. Šis process bloķējot supravadītāju savā vietā pēc augstuma un orientācijas samazina nevēlamu ļodzīšanos (un ir arī vizuāli iespaidīgs, kā parādījusi Telavivas universitāte.)

Jūs varat novirzīt supravadītāju magnētiskajā laukā, jo jūsu roka var pielietot daudz vairāk spēka un enerģijas nekā tas, ko lauks izdara.

Iepriekš aprakstītais kvantu levitācijas process balstās uz magnētisko atgrūšanos, taču ir arī citas ierosinātās kvantu levitācijas metodes, tostarp dažas, kuru pamatā ir Kazimira efekts. Atkal tas ir saistīts ar zināmām ziņkārīgām manipulācijām ar materiāla elektromagnētiskajām īpašībām, tāpēc atliek tikai redzēt, cik tas ir praktiski.

Diemžēl pašreizējā šī efekta intensitāte ir tāda, ka mums ilgi nebūs lidojošas automašīnas. Turklāt tas darbojas tikai spēcīgā magnētiskajā laukā, kas nozīmē, ka mums būs jāveido jauni magnētiskā ceļa ceļi. Tomēr Āzijā jau ir magnētiskās levitācijas vilcieni, kas šo procesu izmanto papildus tradicionālajiem elektromagnētiskās levitācijas (maglev) vilcieniem.

Vēl viens noderīgs pielietojums ir patiesi berzes gultņu izveidošana. Gultnis spētu pagriezties, bet tas tiktu apturēts bez tieša fiziska kontakta ar apkārtējo korpusu, lai nerastos berzes. Tam noteikti būs daži rūpnieciski lietojumi, un mēs uzraudzīsim acis, kad tie parādīs ziņas.

Kamēr sākotnējais YouTube video tika daudz atskaņots televīzijā, viens no senākajiem populārās kultūras reālās kvantu levitācijas parādījumiem bija Stefana Kolberta 9. novembra epizode. Kolberta ziņojums, komēdijas centrālā satīriskā politiskā pundīta izrāde. Kolberts atveda zinātnieku Dr. Metjū Č. Sulivans no Ithakas koledžas fizikas nodaļas. Kolberts auditorijai paskaidroja kvantu levitācijas zinātni šādā veidā:

Kā es esmu pārliecināts, ka jūs zināt, kvantu levitācija attiecas uz parādību, kurā magnētiskās plūsmas līnijas kas plūst caur II tipa supravadītāju, ir piestiprināti vietā, neskatoties uz elektromagnētisko spēku iedarbību uz viņiem. Es to uzzināju no Snapple vāciņa iekšpuses. Pēc tam viņš sāka atsaukt mini kausu no sava Stefana Kolberta Americone Dream saldējuma garšas. Viņam izdevās to izdarīt, jo viņi bija ielikuši supravadītāja disku saldējuma krūzes apakšā. (Atvainojiet, ka atmetu spoku, Kolberts. Paldies Dr. Sullivan par runu ar mums par zinātni, kas ir šī raksta pamatā!)