Hogyan működik a kvantum lebegés?

Néhány videó az interneten „kvantumlebegtetésnek” nevezik. Mi ez? Hogyan működik? Képes leszünk repülő autókra?

A kvantumlevitáció, amint azt nevezik, egy folyamat, amelynek során a tudósok felhasználják a kvantumfizika tárgy lebegtetésére (különös tekintettel a szupravezető) túl egy mágneses forrás (kifejezetten erre a célra tervezett kvantumlebegő pálya).

Ennek oka az, amit úgynevezett Meissner-effektus és mágneses fluxus rögzítés. A Meissner-effektus azt sugallja, hogy a mágneses mezőben lévő szupravezető mindig kitölti a benne levő mágneses teret, és így meghajolja a mágneses teret körül. A probléma egyensúly kérdése. Ha csak egy szupravezetőt helyezne a mágnes tetejére, akkor a szupravezető csak lebegne a mágnes, olyan, mintha megpróbálnánk kiegyenlíteni a rúdmágnesek két déli mágneses pólusát egymással Egyéb.

A kvantumlevitációs folyamat sokkal érdekesebbé válik a fluxusos rögzítés vagy a kvantumzár folyamat révén, amelyet a Tel-Avivi Egyetem szupravezető csoportja így ír le:

A szupravezető képesség és a mágneses mező nem kedvelik egymást. Ha lehetséges, a szupravezető kiüríti az összes mágneses teret belülről. Ez a Meissner-effektus. Esetünkben, mivel a szupravezető rendkívül vékony, a mágneses mező behatol. Ezt azonban diszkrét mennyiségekben teszi (ez az kvantumfizika végül! ) fluxuscsöveknek hívják. Az egyes mágneses fluxuscsövekben a szupravezetés lokálisan megsemmisül. A szupravezető megpróbálja megtartani a mágneses csöveket gyenge területeken (például szemcsék határán). A szupravezető bármilyen térbeli mozgása a fluxuscsöveket mozgatni fogja. Annak elkerülése érdekében, hogy a szupravezető "csapdába maradjon" a légkörben. A "kvantitatív lebegés" és a "kvantumzár" kifejezéseket a Tel Avivi Egyetem fizikusa, Guy Deutscher, az egyik vezető kutató e területen dolgozta ki erre a folyamatra.

Gondoljunk arra, mi a szupravezető valójában: ez egy olyan anyag, amelyben az elektronok nagyon könnyen áramolhatnak. Az elektronok ellenállás nélkül áramolnak a szupravezetőkön úgy, hogy amikor a mágneses terek közel kerülnek a szupravezető anyag, a szupravezető kis áramot képez a felületén, kiküszöböli a bejövő anyagot mágneses mező. Ennek eredményeként a szupravezető felületének mágneses mező intenzitása pontosan nulla. Ha feltérképezi a nettó mágneses mező vonalait, akkor az azt mutatja, hogy hajlanak a tárgy körül.

De hogyan teszi ezt lebegővé?

Amikor egy szupravezetőt egy mágneses sávra helyeznek, az a következménye, hogy a szupravezető megmarad a pálya felett, lényegében az erős mágneses mező tolja el közvetlenül a pálya közelében felület. Természetesen korlátozott, hogy mekkora távolságra lehet a pálya felett, mivel a mágneses visszatükrözésnek ellensúlyoznia kell a súly.

Az I. típusú szupravezető lemeze a legszélsőségesebb változatában demonstrálja a Meissner hatást, amelyet "tökéletes diamagnetizmusnak" neveznek, és nem tartalmaz semmilyen mágneses teret a anyag. Lebeg, mivel megpróbálja elkerülni a mágneses mezővel való érintkezést. Ennek problémája az, hogy a lebegés nem stabil. A lebegő tárgy általában nem marad a helyén. (Ugyanez a folyamat képes a szupravezetőket lebegni konkáv, tál alakú ólomágnesen belül, amelyben a mágnesesség mindkét oldalán egyenlően nyomódik.)

Annak érdekében, hogy hasznos legyen, a lebegésnek kicsit stabilabbnak kell lennie. Itt játszik szerepet a kvantumzár.

A kvantumzárási folyamat egyik kulcsfontosságú eleme ezen örvénycsövek létezése. Ha a szupravezető nagyon vékony, vagy ha a szupravezető egy II. Típusú szupravezető, akkor a szupravezető kevesebb energiát fizet, hogy a mágneses mező egy része áthatoljon a szupravezetőn. Ezért alakul ki a fluxus örvény azokban a régiókban, ahol a mágneses mező valójában "átcsúszhat" a szupravezetőn.

A fenti Tel-Aviv-csoport által leírt esetben képesek voltak egy speciális vékony kerámia fóliát egy ostya felületére felvinni. Hűtéskor ez a kerámia anyag egy II. Típusú szupravezető. Mivel annyira vékony, a bemutatott diamagnetizmus nem tökéletes... lehetővé téve ezen anyagon áthaladó fluxus örvények létrehozását.

A fluxus örvények II-es típusú szupravezetőkben is kialakulhatnak, még akkor is, ha a szupravezető anyag nem annyira vékony. A II. Típusú szupravezetőt úgy lehet megtervezni, hogy fokozza ezt a hatást, úgynevezett "fokozott fluxusos rögzítés".

Amikor a mező fluxuscső formájában behatol a szupravezetőbe, akkor lényegében kikapcsolja a szupravezetőt abban a keskeny régióban. Képzelje el az egyes csöveket apró, nem szupravezető régióként a szupravezető közepén. Ha a szupravezető mozog, akkor a fluxus örvények mozognak. Ne feledje azonban két dolgot:

1. a fluxus örvények mágneses mezők
2. a szupravezető áramot generál a mágneses mezők ellensúlyozására (azaz a Meissner-effektus)

Maga a szupravezető anyag olyan erőt hoz létre, amely megakadályozza a mozgást a mágneses mezőhöz képest. Például, ha megdöntjük a szupravezetőt, akkor "bezárjuk" vagy "csapdába" helyezzük ebbe a helyzetbe. Az egész pályán körbejár ugyanolyan dőlésszöggel. Ez a folyamat a szupravezető rögzítése a helyén a magasság és a tájolás csökkenti a nemkívánatos hullámokat (és vizuálisan is lenyűgöző, ahogyan azt a Tel Avivi Egyetem mutatja).

Ön képes újra orientálni a szupravezetőt a mágneses mezőben, mert a kezed sokkal több erőt és energiát képes alkalmazni, mint amit a mező gyakorol.

A fentiekben ismertetett kvantumlevitáció folyamata mágneses repuláción alapszik, de vannak más kvantitatív lebegtetési módszerek is, amelyeket javasoltak, köztük a Casimir-effektuson alapuló módszerek. Ez ismét az anyag elektromágneses tulajdonságainak furcsa manipulációját foglalja magában, tehát még látni kell, mennyire praktikus.

Sajnos ennek a hatásnak a jelenlegi intenzitása olyan, hogy sokáig nem fogunk repülni autókkal. Ezenkívül csak egy erős mágneses mezőn működik, vagyis új mágneses útvonalakat kell építeni. Ázsiában azonban már vannak mágneses lebegő vonatok, amelyek ezt a folyamatot használják, a hagyományosabb elektromágneses levitációs (maglev) vonatokon túl.

Egy másik hasznos alkalmazás valóban súrlódásmentes csapágyak létrehozása. A csapágy elfordulhat, de felfüggesztésre kerül, anélkül, hogy közvetlen fizikai érintkezésbe kerülne a környező házba, hogy ne kerüljön súrlódás. Bizonyára lesz ipari alkalmazás ehhez, és nyitva tartjuk a szemünket, amikor a híreket közzéteszik.

Miközben az eredeti YouTube-videó nagyon sokat játszott a televízióban, az igazi kvantumlevitáció egyik legkorábbi populáris kulturális megjelenése Stephen Colbert című film november 9-i epizódja volt. A Colbert-jelentés, egy Comedy Central szatirikus politikai pundit show. Colbert elhozta Dr. C. Matthew Sullivan az Ithaca College fizikai tanszékéből. Colbert így magyarázta közönségének a kvantumlebegés mögött rejlő tudományt:

Mint biztos vagyok benne, tudod, hogy a kvantitatív lebegés arra a jelenségre utal, amelyen a mágneses fluxus vonalak vannak a II. típusú szupravezetőn átáramló csavarokat a helyükön rögzítik, a működő elektromágneses erők ellenére rájuk. Megtanultam ezt egy Snapple kupak belsejéből. Ezután egy minikészét lebegtette Stephen Colbert Americone Dream fagylalt aromájából. Meg tudta csinálni, mert szupravezető lemezt helyeztek a fagylaltpoharat aljára. (Sajnálom, hogy feladtam a szellemet, Colbert. Köszönet Dr. Sullivannak, hogy beszélt velünk a cikk mögött meghúzódó tudományról!)