Ako funguje kvantová levitácia

Niektoré videá na internete ukazujú niečo, čo sa nazýva „kvantová levitácia“. Čo to je? Ako to funguje? Budeme mať lietajúce autá?

Kvantová levitácia, ako sa nazýva, je proces, pri ktorom vedci využívajú vlastnosti kvantová fyzika levitovať predmet (konkrétne a supravodič) cez magnetický zdroj (konkrétne kvantová dráha levitácie určená na tento účel).

Dôvod, prečo to funguje, sa nazýva Meissnerov efekt a pripínanie magnetickým tokom. Meissnerov efekt diktuje, že supravodič v magnetickom poli vždy vytlačí magnetické pole vo vnútri, a tak ohne magnetické pole okolo neho. Problém je vecou rovnováhy. Keby ste práve umiestnili supravodič na magnet, potom by sa supravodič len vznášal magnet, akoby sa snažil vyvážiť dva južné magnetické póly tyčových magnetov proti každému ostatní.

Proces kvantovej levitácie sa stáva oveľa zaujímavejší procesom pripínania toku alebo kvantového blokovania, ako to opísala skupina supravodičov univerzity Tel Aviv týmto spôsobom:

Supravodivosť a magnetické pole sa navzájom nepáčia. Pokiaľ je to možné, supravodič vytlačí všetko magnetické pole zvnútra. Toto je Meissnerov efekt. V našom prípade, pretože supravodič je veľmi tenký, magnetické pole DOES preniká. Robí to však v diskrétnych množstvách (to je

Poďme sa zamyslieť nad tým, čo je supravodič: je to materiál, v ktorom elektróny dokážu veľmi ľahko prúdiť. Elektróny tečú cez supravodiče bez odporu, takže keď sa magnetické pole priblíži k a supravodivý materiál, supravodič vytvára na svojom povrchu malé prúdy a vylučuje prichádzajúci prúd magnetické pole. Výsledkom je, že intenzita magnetického poľa vo vnútri povrchu supravodiča je presne nula. Ak ste zmapovali čiary čistého magnetického poľa, ukázalo by sa, že sa ohýbajú okolo objektu.

Ako to však vedie k vznášaniu?

Keď sa supravodič umiestni na magnetickú stopu, má to za následok, že supravodič zostáva nad koľajou, ktorá je v podstate vytlačená silným magnetickým poľom priamo na koľaji povrchom. Samozrejme existuje hranica toho, do akej miery je možné ju posunúť, pretože sila magnetického odporu musí pôsobiť proti sile gravitácia.

Disk supravodiča typu I preukáže Meissnerov efekt vo svojej najextrémnejšej verzii, ktorý sa nazýva "dokonalý diamagnetizmus" a nebude obsahovať žiadne magnetické polia vo vnútri Materiál. Bude sa vznášať, pretože sa snaží vyhnúť akémukoľvek kontaktu s magnetickým poľom. Problém je v tom, že levitácia nie je stabilná. Levitujúci objekt za normálnych okolností nezostane na svojom mieste. (Rovnaký proces bol schopný vznášať supravodiče v konkávnom vodnom magnete v tvare misky, v ktorom magnetizmus tlačí rovnomerne na všetky strany.)

Aby bola užitočná, levitácia musí byť o niečo stabilnejšia. Tam prichádza do hry kvantové uzamykanie.

Jedným z kľúčových prvkov procesu kvantového uzamykania je existencia týchto rúrkových tokov nazývaných „vír“. Ak je supravodič veľmi tenký alebo ak ide o supravodič typu II, stojí supravodič menej energie, aby časťou magnetického poľa prenikla do supravodiča. Preto sa vírivé toky vytvárajú v oblastiach, v ktorých je magnetické pole v skutočnosti schopné „prekĺznuť“ supravodič.

V prípade opísanom vyššie uvedeným tímom Tel Avivu dokázali pestovať špeciálny tenký keramický film na povrchu oblátky. Po ochladení je tento keramický materiál supravodičom typu II. Pretože je tak tenký, vystavený diamagnetizmus nie je dokonalý... umožnenie vytvorenia týchto vírivých tokov prechádzajúcich materiálom.

Tokové víry sa môžu vytvárať aj v supravodičoch typu II, aj keď materiál supravodičov nie je tak tenký. Supravodič typu II môže byť navrhnutý tak, aby zosilnil tento účinok, nazývaný „vylepšené pripínanie toku“.

Keď pole prenikne do supravodiča vo forme trubice na tok, v tejto úzkej oblasti v podstate vypne supravodič. Predstavte si každú skúmavku ako malú nesupravodivú oblasť uprostred supravodiča. Ak sa supravodič pohybuje, vírivé toky sa budú pohybovať. Pamätajte však na dve veci:

1. vírivé toky sú magnetické polia
2. supravodič bude vytvárať prúdy pôsobiace proti magnetickým poliam (t. j. Meissnerov efekt)

Samotný supravodivý materiál vytvorí silu, ktorá zabraňuje akémukoľvek pohybu vo vzťahu k magnetickému poľu. Ak napríklad nakláňate supravodič, „uzamknete“ alebo „zachytíte“ ho do tejto polohy. Bude to obísť celú trasu s rovnakým uhlom naklonenia. Tento proces zaistenie supravodiča na svojom mieste výškou a orientáciou znižuje akékoľvek nežiaduce kolísanie (a je tiež vizuálne pôsobivé, ako ukazuje Tel Avivská univerzita).

Ste schopní preorientovať supravodič v magnetickom poli, pretože vaša ruka môže aplikovať oveľa viac sily a energie, ako to, čo pole vyvíja.

Vyššie opísaný proces kvantovej levitácie je založený na magnetickom odpore, existujú však aj ďalšie metódy kvantovej levitácie, vrátane metód založených na Casimirovom efekte. Opäť to znamená nejakú zvláštnu manipuláciu s elektromagnetickými vlastnosťami materiálu, a preto ostáva vidieť, aké praktické to je.

Bohužiaľ, súčasná intenzita tohto účinku je taká, že nebudeme mať nejaký čas lietajúce autá. Taktiež to funguje iba v silnom magnetickom poli, čo znamená, že by sme museli budovať nové magnetické koľajové cesty. V Ázii však už existujú vlaky s magnetickou levitáciou, ktoré tento proces využívajú, okrem tradičných vlakov s elektromagnetickou levitáciou (maglev).

Ďalšou užitočnou aplikáciou je vytvorenie ložísk skutočne bez trenia. Ložisko by sa mohlo otáčať, ale bolo by zavesené bez priameho fyzického kontaktu s okolitým puzdrom, aby nedošlo k treniu. Určite na to budú nejaké priemyselné aplikácie a my budeme mať otvorené oči, keď zasiahnu správy.

Zatiaľ čo počiatočné video na YouTube sa v televízii veľa prehralo, jedným z najskorších populárnych prejavov skutočnej kvantovej levitácie v kultúre bol epizóda 9. novembra od Stephena Colberta Colbertova správa, satirická politická publicistická šou komédia Central. Colbert priniesol vedca Dr. Matthew C. Sullivan z oddelenia fyziky Ithaca College. Colbert vysvetlil publiku vedu, ktorá stojí za kvantovou levitáciou týmto spôsobom:

Ako iste viete, kvantová levitácia sa týka fenoménu, ktorým sa riadia magnetické toky ktoré pretekajú supravodičom typu II, sú zachytené na mieste napriek pôsobeniu elektromagnetických síl na nich. Naučil som sa to z vnútornej strany čiapky Snapple. Potom pokračoval v levitácii mini šálky zmrzliny Americone Dream od Stephena Colberta. Dokázal to, pretože do spodnej časti šálky zmrzliny umiestnili supravodivý disk. (Prepáč, že sa vzdám ducha, Colbert. Vďaka Dr. Sullivanovi, že ste sa s nami porozprávali o vede, ktorá stojí za týmto článkom!)