Jak funguje kvantová levitace

Některá videa na internetu ukazují něco, co se nazývá „kvantová levitace“. Co je to? Jak to funguje? Budeme mít létající auta?

Kvantová levitace, jak se nazývá, je proces, ve kterém vědci používají vlastnosti kvantová fyzika levitovat objekt (konkrétně a supravodič) přes magnetický zdroj (konkrétně kvantová levitační dráha určená pro tento účel).

Důvod, proč to funguje, se nazývá Meissnerův efekt a připínání magnetickým tokem. Meissnerův efekt diktuje, že supravodič v magnetickém poli vždy vytlačí magnetické pole uvnitř něj, a tak ohne magnetické pole kolem něj. Problém je otázkou rovnováhy. Pokud jste právě umístili supravodič na magnet, pak by se supravodič jen vznášel magnet, jakoby se snažil vyrovnat dva jižní magnetické póly tyčových magnetů s každým jiný.

Proces kvantové levitace se stává mnohem zajímavějším procesem připínání toků nebo kvantového blokování, jak je popsáno supravodičovou skupinou Tel Aviv University tímto způsobem:

Supravodivost a magnetické pole se navzájem nelíbí. Pokud je to možné, supravodič vytlačí veškeré magnetické pole zevnitř. Toto je Meissnerův efekt. V našem případě, protože supravodič je velmi tenký, proniká magnetické pole DOES. Dělá to však v diskrétních množstvích (to je

Pojďme se zamyslet nad tím, co je supravodič: je to materiál, ve kterém jsou elektrony schopny velmi snadno proudit. Elektrony protékají supravodiči bez odporu, takže když se magnetická pole přiblíží k a supravodivý materiál, supravodič vytváří na svém povrchu malé proudy a ruší příchozí magnetické pole. Výsledkem je, že intenzita magnetického pole uvnitř povrchu supravodiče je přesně nulová. Pokud jste namapovali čáry magnetického pole sítě, ukázalo by se, že se ohýbají kolem objektu.

Jak to ale způsobí, že se vznáší?

Když je supravodič umístěn na magnetické dráze, účinek spočívá v tom, že supravodič zůstává nad kolejí, v podstatě odtlačené silným magnetickým polem přímo u kolejí povrch. Existuje samozřejmě limit, jak daleko nad kolejí může být tlačen, samozřejmě, protože síla magnetického odporu musí působit proti síle gravitace.

Disk supravodiče typu I předvede Meissnerův efekt ve své nejextrémnější verzi, který se nazývá "dokonalý diamagnetismus" a nebude obsahovat žádná magnetická pole uvnitř materiál. Bude levitovat, protože se snaží zabránit jakémukoli kontaktu s magnetickým polem. Problém je v tom, že levitace není stabilní. Levitující objekt obvykle nezůstane na svém místě. (Stejný proces dokázal levitovat supravodiče v konkávním vodícím magnetu ve tvaru misky, ve kterém magnetismus tlačí rovnoměrně ze všech stran.)

Aby byla levitace užitečná, musí být o něco stabilnější. Tam přichází do hry kvantové zamykání.

Jedním z klíčových prvků procesu kvantového uzamykání je existence těchto zkumavek, nazývaných „vír“. Pokud je supravodič velmi tenký nebo pokud je supravodič supravodičem typu II, stojí supravodič méně energie, aby částice magnetického pole proniklo do supravodiče. Proto se víry tavidla vytvářejí v oblastech, kde je magnetické pole ve skutečnosti schopno „proklouznout“ supravodič.

V případě popsaném výše uvedeným týmem Tel Avivu dokázali na povrchu oplatky vypěstovat speciální tenkou keramickou fólii. Po ochlazení je tento keramický materiál supravodičem typu II. Protože je tak tenký, vystavený diamagnetismus není dokonalý... umožňující vytvoření těchto vířivých toků procházejících materiálem.

Tokové víry se mohou také tvořit v supravodičích typu II, i když materiál supravodiče není tak tenký. Supravodič typu II může být navržen tak, aby posílil tento účinek, nazývaný „vylepšené připínání toků“.

Když pole proniká do supravodiče ve formě trubice s tokem, v této úzké oblasti v podstatě vypne supravodič. Představte si každou zkumavku jako nepatrnou ne-supravodivou oblast uprostřed supravodiče. Pokud se supravodič pohybuje, vírové toky se budou pohybovat. Nezapomeňte však na dvě věci:

1. tokové víry jsou magnetická pole
2. supravodič bude vytvářet proudy proti magnetickým polím (tj. Meissnerův efekt)

Samotný supravodivý materiál vytvoří sílu, která zabrání jakémukoli druhu pohybu ve vztahu k magnetickému poli. Pokud například naklápíte supravodič, zamknete jej nebo do této polohy zachytíte. Projde kolem celé stopy se stejným úhlem náklonu. Tento proces zajištění supravodiče na místě výškou a orientací snižuje nežádoucí kolísání (a je také vizuálně působivé, jak ukazuje Tel Aviv University).

Jste schopni přeorientovat supravodič v magnetickém poli, protože vaše ruka může aplikovat mnohem více síly a energie než to, co pole vyvíjí.

Proces kvantové levitace popsaný výše je založen na magnetickém odporu, ale existují i ​​jiné metody kvantové levitace, které byly navrženy, včetně některých založených na Casimirově efektu. Opět se jedná o nějakou zvědavou manipulaci s elektromagnetickými vlastnostmi materiálu, takže zbývá vidět, jak praktický je.

Současná intenzita tohoto jevu je bohužel taková, že nebudeme nějakou dobu létat auta. Také to funguje pouze přes silné magnetické pole, což znamená, že bychom museli budovat nové magnetické dráhy. V Asii však již existují magnetické levitační vlaky, které tento proces využívají, kromě tradičních elektromagnetických levitačních (maglevových) vlaků.

Další užitečnou aplikací je vytvoření skutečně beztřískových ložisek. Ložisko by se mohlo otáčet, ale bylo by zavěšeno bez přímého fyzického kontaktu s okolním pouzdrem, aby nedošlo k žádnému tření. Určitě tam budou nějaké průmyslové aplikace, a my budeme mít oči otevřené, když zasáhnou zprávy.

Zatímco počáteční video na YouTube mělo hodně hraní v televizi, jeden z prvních populárních kulturních projevů skutečné kvantové levitace byl v epizodě Stephena Colberta z 9. listopadu Colbertova zpráva, komediální centrální satirická politická punditní show. Colbert přinesl vědce Dr. Matthew C. Sullivan z katedry fyziky Ithaca College. Colbert vysvětlil svému publiku vědu za kvantovou levitací tímto způsobem:

Jak jistě víte, kvantová levitace se týká jevu, kterým se čáry magnetického toku mění protékající supravodičem typu II jsou připevněny na místě navzdory působení elektromagnetických sil na ně. Naučil jsem se to zevnitř Snapple čepice. Poté pokračoval v levitaci mini šálku zmrzliny Americone Dream od Stephena Colberta. Dokázal to, protože do dna pohárku na zmrzlinu vložili supravodivý disk. (Omlouvám se, že se vzdávám ducha, Colberte. Děkuji Dr. Sullivanovi za to, že s námi hovořil o vědě za tímto článkem!)