Kaip veikia kvantinė levitacija
Kvantinė levitacija gali priversti objektus plūduriuoti ir skristi
„Maglev“ traukiniai, tokie kaip šis Šanchajuje Kinijoje, iš esmės skraido arba levituoja dėl magnetinio lauko.
Yaorusheng / Getty Images
Kai kuriuose vaizdo įrašuose internete rodoma tai, kas vadinama „kvantine levitacija“. Kas čia? Kaip tai veikia? Ar galėsime turėti skraidančius automobilius?
Kvantinė levitacija, kaip ji vadinama, yra procesas, kurio metu mokslininkai naudojasi jo savybėmis Kvantinė fizika levituoti objektą (konkrečiai, a superlaidininkas ) virš magnetinis šaltinis (konkrečiai šiam tikslui sukurtas kvantinės levitacijos takelis).
Kvantinės levitacijos mokslas
Priežastis, kodėl tai veikia, yra vadinama Meisnerio efektas ir magnetinio srauto tvirtinimas. Meisnerio efektas lemia, kad superlaidininkas magnetiniame lauke visada išstums jo viduje esantį magnetinį lauką ir taip sulenks aplink jį esantį magnetinį lauką. Problema yra pusiausvyros klausimas. Jei tiesiog uždėsite superlaidininką ant magneto, superlaidininkas tiesiog nuplauktų nuo magneto, tarsi bandytų subalansuoti du pietinius strypo magnetų magnetinius polius vienas prieš kitą.
Kvantinės levitacijos procesas tampa daug įdomesnis dėl srauto pririšimo arba kvantinio užrakinimo, kaip apibūdino Tel Avivo universiteto superlaidininkų grupė:
Superlaidumas ir magnetinis laukas [sic] nemėgsta vienas kito. Jei įmanoma, superlaidininkas išstums visą magnetinį lauką iš vidaus. Tai yra Meissnerio efektas. Mūsų atveju, kadangi superlaidininkas yra itin plonas, magnetinis laukas IR prasiskverbia. Tačiau tai daro atskirais kiekiais (tai yra Kvantinė fizika po visko! ) vadinami srauto vamzdeliais.Kiekvieno magnetinio srauto vamzdžio viduje superlaidumas lokaliai sunaikinamas. Superlaidininkas stengsis, kad magnetiniai vamzdeliai būtų pritvirtinti silpnose vietose (pvz., grūdelių ribose). Bet koks erdvinis superlaidininko judėjimas privers srauto vamzdelius judėti. Siekiant išvengti, kad superlaidininkas liktų „įstrigęs“ ore. Sąvokas „kvantinė levitacija“ ir „kvantinis užraktas“ šiam procesui sugalvojo Tel Avivo universiteto fizikas Guy'us Deutscheris, vienas iš pirmaujančių šios srities tyrinėtojų.
Meisnerio efektas
Pagalvokime, kas iš tikrųjų yra superlaidininkas: tai medžiaga, kurioje elektronai gali tekėti labai lengvai. Elektronai teka per superlaidininkus be pasipriešinimo, todėl kai magnetiniai laukai priartėja prie superlaidžios medžiagos, superlaidininkas ant jo paviršiaus sudaro mažas sroves, panaikindamas įeinantį magnetinį lauką. Rezultatas yra toks, kad magnetinio lauko intensyvumas superlaidininko paviršiaus viduje yra tiksliai lygus nuliui. Jei nubrėžtumėte grynąsias magnetinio lauko linijas, būtų parodyta, kad jos lenkiasi aplink objektą.
Bet kaip tai priverčia jį levituoti?
Kai superlaidininkas dedamas ant magnetinio takelio, superlaidininkas lieka virš bėgių kelio ir iš esmės jį nustumia stiprus magnetinis laukas tiesiai ant bėgių kelio paviršiaus. Žinoma, yra riba, kiek aukščiau trasos jį galima nustumti, nes magnetinio atstūmimo galia turi atremti gravitacija .
I tipo superlaidininko diskas demonstruos Meissnerio efektą ekstremaliausiu variantu, kuris vadinamas „tobulu diamagnetizmu“, ir medžiagos viduje nebus jokių magnetinių laukų. Jis levituoja, nes bando išvengti bet kokio kontakto su magnetiniu lauku. Problema ta, kad levitacija nėra stabili. Levituojantis objektas paprastai nelieka vietoje. (Tas pats procesas sugebėjo levituoti superlaidininkus įgaubtame dubenėlio formos švino magnete, kuriame magnetizmas vienodai stumiasi iš visų pusių.)
Kad levitacija būtų naudinga, ji turi būti šiek tiek stabilesnė. Štai čia ir atsiranda kvantinis užraktas.
Flux vamzdeliai
Vienas iš pagrindinių kvantinio užrakinimo proceso elementų yra šių srauto vamzdžių, vadinamų „sūkuriu“, egzistavimas. Jei superlaidininkas yra labai plonas arba jei superlaidininkas yra II tipo superlaidininkas, superlaidininkui kainuoja mažiau energijos, kad dalis magnetinio lauko prasiskverbtų į superlaidininką. Štai kodėl srauto sūkuriai susidaro tose srityse, kuriose magnetinis laukas iš tikrųjų gali „praslysti“ per superlaidininką.
Aukščiau Tel Avivo komandos aprašytu atveju jie sugebėjo užauginti specialią ploną keraminę plėvelę ant plokštelės paviršiaus. Atvėsusi ši keraminė medžiaga yra II tipo superlaidininkas. Kadangi jis toks plonas, rodomas diamagnetizmas nėra tobulas... leidžiantis sukurti šiuos srauto sūkurius, einančius per medžiagą.
Srauto sūkuriai taip pat gali susidaryti II tipo superlaidininkuose, net jei superlaidininko medžiaga nėra tokia plona. II tipo superlaidininkas gali būti sukurtas taip, kad sustiprintų šį efektą, vadinamą „patobulintu srauto pririšimu“.
Kvantinis užraktas
Kai laukas prasiskverbia į superlaidininką srauto vamzdžio pavidalu, jis iš esmės išjungia superlaidininką toje siauroje srityje. Įsivaizduokite kiekvieną vamzdelį kaip mažą ne superlaidininką sritį superlaidininko viduryje. Jei superlaidininkas juda, srauto sūkuriai judės. Tačiau atminkite du dalykus:
- srauto sūkuriai yra magnetiniai laukai
- superlaidininkas sukurs sroves, skirtas neutralizuoti magnetinius laukus (t. y. Meisnerio efektą)
Pati superlaidinė medžiaga sukurs jėgą, kuri slopins bet kokį judėjimą magnetinio lauko atžvilgiu. Pavyzdžiui, jei pakreipsite superlaidininką, jį „užfiksuosite“ arba „užfiksuosite“ toje padėtyje. Jis apvažiuos visą trasą tuo pačiu pasvirimo kampu. Šis procesas užfiksuojant superlaidininką vietoje dėl aukščio ir orientacijos sumažina bet kokį nepageidaujamą svyravimą (taip pat yra vizualiai įspūdinga, kaip rodo Tel Avivo universitetas).
Galite perorientuoti superlaidininką magnetiniame lauke, nes jūsų ranka gali pritaikyti daug daugiau jėgos ir energijos nei laukas.
Kiti kvantinės levitacijos tipai
Aukščiau aprašytas kvantinės levitacijos procesas yra pagrįstas magnetiniu atstūmimu, tačiau buvo pasiūlyti ir kiti kvantinės levitacijos metodai, įskaitant kai kuriuos, pagrįstus Kazimiero efektu. Vėlgi, tai apima tam tikrą keistą manipuliavimą medžiagos elektromagnetinėmis savybėmis, todėl belieka pamatyti, kaip tai praktiška.
Kvantinės levitacijos ateitis
Deja, dabartinis šio efekto intensyvumas yra toks, kad dar kurį laiką neturėsime skraidančių automobilių. Be to, jis veikia tik esant stipriam magnetiniam laukui, o tai reiškia, kad mums reikės tiesti naujus magnetinius kelius. Tačiau Azijoje jau yra magnetinės levitacijos traukinių, kuriuose naudojamas šis procesas, be tradicinių elektromagnetinės levitacijos (maglev) traukinių.
Kitas naudingas pritaikymas yra tikrai be trinties guolių kūrimas. Guolis galėtų suktis, bet būtų pakabintas be tiesioginio fizinio kontakto su aplinkiniu korpusu, kad nebūtų trinties. Tikrai bus tam tikrų pramoninių pritaikymų, ir mes neatmerksime akis, kai jie pasieks naujienas.
Kvantinė levitacija populiariojoje kultūroje
Nors pradinis „YouTube“ vaizdo įrašas sulaukė daug dėmesio per televiziją, vienas iš pirmųjų populiariosios kultūros pasirodymų apie tikrąją kvantinę levitaciją įvyko lapkričio 9 d. Stepheno Colberto serijoje. Colbert pranešimas , „Comedy Central“ satyrinis politinis ekspertų šou. Colbertas atvedė mokslininką dr. Matthew C. Sullivanas iš Ithaca koledžo fizikos katedros. Colbertas savo auditorijai paaiškino kvantinės levitacijos mokslą taip:
Esu tikras, kad žinote, kad kvantinė levitacija reiškia reiškinį, kai magnetinio srauto linijos, tekančios per II tipo superlaidininką, yra pritvirtintos vietoje, nepaisant jas veikiančių elektromagnetinių jėgų. Tai sužinojau iš „Snapple“ dangtelio vidinės pusės. Tada jis ėmė levituoti mažą puodelį savo Stepheno Colberto „Americone Dream“ ledų skonio. Jam pavyko tai padaryti, nes jie į ledų puodelio dugną įdėjo superlaidininkinį diską. (Atsiprašau, kad atsisakiau vaiduoklio, Colbertai. Dėkojame dr. Sullivanui, kad kalbėjosi su mumis apie šio straipsnio mokslą!)