Sådan fungerer kvantelevitation

Nogle videoer på internettet viser noget, der kaldes "kvantelevitation." Hvad er dette? Hvordan virker det? Vil vi være i stand til at have flyvende biler?

Kvantelevitation, som det kaldes, er en proces, hvor forskere bruger egenskaberne ved kvantefysik at ophæve et objekt (specifikt a superleder) over en magnetisk kilde (specifikt et kvantelevitationsspor designet til dette formål).

Årsagen til at dette fungerer er noget, der kaldes Meissner-effekt og magnetisk flux-fastgørelse. Meissner-effekten dikterer, at en superleder i et magnetfelt altid vil udvise magnetfeltet inde i det og således bøje magnetfeltet omkring det. Problemet er et spørgsmål om ligevægt. Hvis du lige placerede en superleder oven på en magnet, ville superlederen bare flyde væk magneten, slags som at prøve at afbalancere to sydmagnetiske poler af stangmagneter mod hver Andet.

Kvanteopløftningsprocessen bliver langt mere spændende gennem processen med fluxspinding eller kvantelåsning, som beskrevet af Tel Aviv Universitys superledergruppe på denne måde:

Superledningsevne og magnetfelt [sic] kan ikke lide hinanden. Når det er muligt, vil superlederen udvise alt magnetfeltet indefra. Dette er Meissner-effekten. I vores tilfælde, da superlederen er ekstremt tynd, penetrerer magnetfeltet DOES. Det gør det imidlertid i diskrete mængder (dette er kvantefysik trods alt! ) kaldes fluxrør. Inde i hver magnetisk fluxrørs superledelse ødelægges lokalt. Superlederen vil forsøge at holde magnetrørene fastgjort i svage områder (f.eks. Korngrænser). Enhver rumlig bevægelse af superlederen får fluxrørene til at bevæge sig. For at forhindre, at superlederen forbliver "fanget" i midair. Udtrykkene "kvantelevitation" og "kvantelåsning" blev myntet til denne proces af Tel Aviv University-fysiker Guy Deutscher, en af ​​de førende forskere på dette område.

Lad os tænke over, hvad en superleder egentlig er: det er et materiale, hvori elektroner er i stand til at flyde meget let. Elektroner strømmer gennem superledere uden modstand, så når magnetfelter kommer tæt på en superledende materiale, superlederen danner små strømme på dens overflade og annullerer det indkommende magnetfelt. Resultatet er, at magnetfeltintensiteten inden i overfladen af ​​superlederen er nøjagtigt nul. Hvis du kortlagde de magnetiske magnetfeltlinjer, viser det, at de bøjer sig rundt om objektet.

Men hvordan får det til at ophæve?

Når en superleder placeres på et magnetisk spor, er virkningen, at superlederen forbliver over banen, skubbes i det væsentlige væk af det stærke magnetfelt lige ved banens overflade. Der er en grænse for, hvor langt over sporet det selvfølgelig kan skubbes, da kraften i den magnetiske frastødelse skal modvirke kraften i tyngdekraft.

En disk med en type I-superleder vil demonstrere Meissner-effekten i sin mest ekstreme version, som kaldes "perfekt diamagnetisme" og ikke vil indeholde magnetfelter inde i materiale. Den leviter, da den prøver at undgå enhver kontakt med magnetfeltet. Problemet med dette er, at levitationen ikke er stabil. Det leviterende objekt forbliver normalt ikke på plads. (Denne samme proces har været i stand til at opløse superledere i en konkav, skålformet blymagnet, hvor magnetismen skubber lige på alle sider.)

For at være nyttig skal levitation være lidt mere stabil. Det er her kvantelåsning kommer i spil.

Et af nøgleelementerne i kvantelåsprocessen er eksistensen af ​​disse fluxrør, kaldet en "hvirvel". Hvis en superleder er meget tynd, eller hvis superlederen er en type-II superleder, koster det superlederen mindre energi for at lade noget af magnetfeltet trænge igennem superlederen. Derfor dannes fluxhvirvlerne i regioner, hvor magnetfeltet faktisk er i stand til at "glide" superlederen.

I det tilfælde, der er beskrevet af Tel Aviv-teamet ovenfor, var de i stand til at dyrke en speciel tynd keramisk film over overfladen på en skive. Når det afkøles, er dette keramiske materiale en type-II superleder. Fordi den er så tynd, er den udstillede diamagnetisme ikke perfekt... der muliggør oprettelse af disse fluxhvirvler, der passerer gennem materialet.

Fluxvortices kan også dannes i type-II superledere, selvom superledermaterialet ikke er så tyndt. Type-II superleder kan designes til at øge denne effekt, kaldet "forbedret fluxspinding."

Når feltet trænger ind i superlederen i form af et fluxrør, slukker det i det væsentlige superlederen i det snævre område. Forestil dig hvert rør som et lille, ikke-superlederområde i midten af ​​superlederen. Hvis superlederen bevæger sig, flytter fluxhvirvlerne sig. Husk dog to ting:

1. fluxhvirvlerne er magnetiske felter
2. superlederen skaber strømme til at modvirke magnetfelter (dvs. Meissner-effekten)

Selve superledermaterialet skaber en kraft til at hæmme enhver form for bevægelse i relation til magnetfeltet. Hvis du for eksempel vipper superlederen, vil du "låse" eller "fælde" den i den position. Det vil gå rundt om et helt spor med den samme vippevinkel. Denne proces af låse superlederen på plads ved højde og orientering reducerer enhver uønsket wobble (og er også visuelt imponerende, som vist af Tel Aviv University).

Du er i stand til at orientere superlederen inden i magnetfeltet, fordi din hånd kan anvende langt mere kraft og energi end det, som feltet udøver.

Processen med kvantelevitation beskrevet ovenfor er baseret på magnetisk frastødning, men der er andre metoder til kvantelevitation, der er blevet foreslået, herunder nogle baseret på Casimir-effekten. Igen involverer dette en vis nysgerrig manipulation af materialets elektromagnetiske egenskaber, så det gjenstår at se, hvor praktisk det er.

Desværre er den aktuelle intensitet af denne effekt sådan, at vi ikke har flyvende biler i ganske lang tid. Det fungerer også kun over et stærkt magnetfelt, hvilket betyder, at vi bliver nødt til at bygge nye magnetiske sporveje. Der er imidlertid allerede magnetiske levitationstog i Asien, der bruger denne proces, ud over de mere traditionelle elektromagnetiske levitationstog (maglev).

En anden nyttig anvendelse er oprettelsen af ​​virkelig friktionsfrie lejer. Lejet kunne rotere, men det ville blive ophængt uden direkte fysisk kontakt med det omgivende hus, så der ikke ville være nogen friktion. Der vil helt sikkert være nogle industrielle applikationer til dette, og vi holder øjnene åbne for, når de rammer nyhederne.

Mens den oprindelige YouTube-video fik en masse spil på tv, var en af ​​de tidligste populærkulturelle optrædener af reel kvanteopløsning på 9. november-episoden af ​​Stephen Colberts Colbert-rapporten, et komedie-centralt satirisk politisk forståelsesfuldt show. Colbert bragte videnskabsmand Dr. Matthew C. Sullivan fra fysikafdelingen i Ithaca College. Colbert forklarede sit publikum videnskaben bag kvantelevitation på denne måde:

Som jeg er sikker på, at du ved, refererer kvantelevitation til det fænomen, hvorved magnetiske fluxlinier der strømmer gennem en type-II superleder fastgøres på plads på trods af de elektromagnetiske kræfter, der virker over dem. Det lærte jeg fra indersiden af ​​en Snapple-cap. Derefter fortsatte han med at levitere en minikop af sin Stephen Colberts Americone Dream-is-smag. Han var i stand til at gøre dette, fordi de havde placeret en superlederskive i bunden af ​​isbægten. (Undskyld at opgive spøgelset, Colbert. Tak til Dr. Sullivan for at have talt med os om videnskaben bag denne artikel!)