Hvordan kvantelevitering fungerer

Noen videoer på internett viser noe som heter "kvantelevitasjon." Hva er dette? Hvordan virker det? Vil vi ha flyvende biler?

Kvantelevitering som det kalles er en prosess der forskere bruker egenskapene til kvantefysikk å levite et objekt (spesifikt, a superleder) over en magnetisk kilde (nærmere bestemt et kvantelevitasjonsspor designet for dette formålet).

Årsaken til at dette fungerer er noe som heter Meissner-effekt og magnetisk fluksspinning. Meissner-effekten dikterer at en superleder i et magnetfelt alltid vil utvise magnetfeltet inni den, og dermed bøye magnetfeltet rundt det. Problemet er et spørsmål om likevekt. Hvis du nettopp plasserte en superleder på toppen av en magnet, ville superlederen bare flyte av gårde magneten, som å prøve å balansere to sørmagnetiske poler av stavmagneter mot hver annen.

Kvantelevitasjonsprosessen blir langt mer spennende gjennom prosessen med flukspinning, eller kvantelåsing, som beskrevet av Tel Aviv University superledergruppe på denne måten:

Superledelse og magnetfelt [sic] liker ikke hverandre. Når det er mulig, vil superlederen utvise alt magnetfeltet fra innsiden. Dette er Meissner-effekten. I vårt tilfelle, siden superlederen er ekstremt tynn, trenger magnetfeltet DOES inn. Imidlertid gjør det det i separate mengder (dette er kvantefysikk tross alt! ) kalt fluksrør. Inne i hver magnetisk flux-rør blir superledningen lokalt ødelagt. Superlederen vil prøve å holde magnetrørene festet i svake områder (f.eks. Korngrenser). Enhver romlig bevegelse av superlederen vil føre til at fluksrørene beveger seg. For å forhindre at superlederen forblir "fanget" i midair. Begrepene "kvantelevitasjon" og "kvantelåsing" ble myntet for denne prosessen av Tel Aviv University-fysiker Guy Deutscher, en av hovedforskerne på dette feltet.

La oss tenke på hva en superleder egentlig er: det er et materiale der elektronene kan flyte veldig enkelt. Elektroner strømmer gjennom superledere uten motstand, slik at når magnetiske felt kommer nær en superledende materiale, superlederen danner små strømmer på overflaten og avbryter det innkommende magnetfelt. Resultatet er at magnetfeltintensiteten på overflaten til superlederen er nøyaktig null. Hvis du kartla nettomagnetiske feltlinjer, ville det vise at de bøyer seg rundt objektet.

Men hvordan får dette til å lufte?

Når en superleder plasseres på et magnetisk spor, er effekten at superlederen blir stående over banen, og blir i det vesentlige skjøvet bort av det sterke magnetfeltet rett ved sporet flate. Det er en grense for hvor langt over sporet det kan skyves, selvfølgelig, siden kraften til den magnetiske frastøtningen må motvirke kraften til tyngde.

En disk av en type I-superleder vil demonstrere Meissner-effekten i sin mest ekstreme versjon, som kalles "perfekt diamagnetisme" og ikke vil inneholde magnetfelt inne i materiale. Den vil levite, da den prøver å unngå kontakt med magnetfeltet. Problemet med dette er at levitasjonen ikke er stabil. Det levende objektet vil normalt ikke holde seg på plass. (Denne samme prosessen har vært i stand til å lufte superledere i en konkav, skålformet blymagnet, der magnetismen skyver likt på alle sider.)

For å være nyttig, må levitasjonen være litt mer stabil. Det er her kvantelåsing spiller inn.

Et av nøkkelelementene i kvantelåsingsprosessen er eksistensen av disse fluksrørene, kalt en "virvel". Hvis en superleder er veldig tynn, eller hvis superlederen er en type II superleder, koster det superlederen mindre energi for å la noe av magnetfeltet trenge gjennom superlederen. Det er grunnen til at flukshvirvlene dannes, i regioner der magnetfeltet er i stand til å "skli gjennom" superlederen.

I tilfellet beskrevet av Tel Aviv-teamet ovenfor, klarte de å vokse en spesiell tynn keramisk film over overflaten på en skive. Når det er avkjølt, er dette keramiske materialet en type-II superleder. Fordi den er så tynn, er diamagnetismen som vises ikke perfekt... muliggjør opprettelse av disse flukshvirvlene som passerer gjennom materialet.

Fluxvortices kan også dannes i type-II superledere, selv om superledermaterialet ikke er så tynt. Type-II superleder kan være designet for å forbedre denne effekten, kalt "forbedret flusspinning."

Når feltet trenger inn i superlederen i form av et fluksrør, slår det i hovedsak av superlederen i det trange området. Bilde hvert rør som et lite region som ikke er superleder i midten av superlederen. Hvis superlederen beveger seg, vil flukshvirvlene bevege seg. Husk imidlertid to ting:

1. flukshvirvlene er magnetiske felt
2. superlederen vil lage strømmer for å motvirke magnetiske felt (dvs. Meissner-effekten)

Selve superledermaterialet i seg selv vil skape en kraft til å hemme enhver form for bevegelse i forhold til magnetfeltet. Hvis du vipper superlederen, for eksempel, vil du "låse" eller "felle" den i den posisjonen. Den vil gå rundt et helt spor med samme vippevinkel. Denne prosessen med låse superlederen på plass ved høyde og orientering reduserer uønsket vingle (og er også visuelt imponerende, som vist av Tel Aviv University.)

Du kan orientere superlederen i magnetfeltet fordi hånden din kan bruke mye mer kraft og energi enn det feltet utøver.

Prosessen med kvantelevitering beskrevet ovenfor er basert på magnetisk frastøtning, men det er andre metoder for kvantelevitering som er foreslått, inkludert noen basert på Casimir-effekten. Igjen innebærer dette en viss nysgjerrig manipulering av materialets elektromagnetiske egenskaper, så det gjenstår å se hvor praktisk det er.

Dessverre er den nåværende intensiteten av denne effekten slik at vi ikke har flyvende biler på ganske lang tid. Dessuten fungerer det bare over et sterkt magnetfelt, noe som betyr at vi trenger å bygge nye magnetiske sporveier. Imidlertid er det allerede magnetiske levitasjonstog i Asia som bruker denne prosessen, i tillegg til de mer tradisjonelle elektromagnetiske levitasjonstogene (maglev).

En annen nyttig applikasjon er å lage virkelig friksjonsfrie lagre. Lageret vil kunne rotere, men det ville være suspendert uten direkte fysisk kontakt med huset rundt, slik at det ikke ville være noen friksjon. Det vil helt sikkert være noen industrielle applikasjoner for dette, og vi vil holde øynene åpne for når de får nyheten.

Mens den første YouTube-videoen fikk mye spill på TV, var en av de tidligste populære kulturopptredenene av ekte kvantelevitasjon på 9. november-episoden av Stephen Colberts Colbert-rapporten, et komediesentralt satirisk politisk forståelsesfullt show. Colbert hadde med seg forsker Dr. Matthew C. Sullivan fra fysikkavdelingen til Ithaca College. Colbert forklarte publikum vitenskapen bak kvantelevitering på denne måten:

Som jeg er sikker på at du vet, refererer kvantelevitasjon til fenomenet der magnetiske flukslinjer som strømmer gjennom en type-II superleder er festet på plass til tross for at de elektromagnetiske kreftene virker på dem. Det lærte jeg fra innsiden av et Snapple-cap. Deretter fortsatte han å levite en minikopp av Stephen Colberts Americone Dream-iskremsmak. Han var i stand til å gjøre dette fordi de hadde plassert en superlederskive i bunnen av iskremkoppen. (Beklager å gi fra seg spøkelset, Colbert. Takk til Dr. Sullivan for å snakke med oss ​​om vitenskapen bak denne artikkelen!)