Как Работает Квантовая Левитация

Квантовая левитация может заставить объекты плавать и летать

Некоторые видео в интернете показывают нечто под названием » квантовая левитация.» — Что это? Как это работает? Сможем ли мы иметь летающие машины?

Квантовая левитация, как ее называют, — это процесс, в котором ученые используют свойства квантовой физики для левитации объекта (в частности, сверхпроводника) над магнитным источником (в частности, квантовой левитационной дорожкой, предназначенной для этой цели).

Наука о квантовой левитации

Причина, по которой это работает, — так называемый эффект Мейснера и закрепление магнитного потока. Эффект Мейснера диктует, что сверхпроводник в магнитном поле всегда будет вытеснять магнитное поле внутри него и, таким образом, искривлять магнитное поле вокруг него. Проблема заключается в равновесии. Если бы вы просто поместили сверхпроводник поверх магнита, то сверхпроводник просто отплыл бы от Магнита, вроде как пытаясь уравновесить два южных магнитных полюса стержневых магнитов друг против друга.

Процесс квантовой левитации становится гораздо более интригующим благодаря процессу закрепления потока, или квантовой блокировки, описанному группой сверхпроводников Тель-Авивского университета следующим образом:

Сверхпроводимость и магнитное поле не любят друг друга. Когда это возможно, сверхпроводник вытеснит все магнитное поле изнутри. Это и есть эффект Мейснера. В нашем случае, поскольку сверхпроводник чрезвычайно тонкий, магнитное поле действительно проникает. Однако он делает это в дискретных количествах (в конце концов, это квантовая физика! ) называется поток трубы.Внутри каждой трубки магнитного потока локально разрушается сверхпроводимость. Сверхпроводник будет пытаться удерживать магнитные трубки закрепленными в слабых областях (например, на границах зерен). Любое пространственное движение сверхпроводника приведет к перемещению трубок потока. Чтобы предотвратить это, сверхпроводник остается «пойманным» в ловушку в воздухе.Термины «квантовая левитация» и «квантовая блокировка» были придуманы для этого процесса физиком Тель-Авивского университета Гаем Дойчером, одним из ведущих исследователей в этой области.

Эффект Мейснера

Давайте подумаем о том, что такое сверхпроводник на самом деле: это материал, в котором электроны могут течь очень легко. Электроны протекают через сверхпроводники без сопротивления, так что, когда магнитные поля приближаются к сверхпроводящему материалу, сверхпроводник образует на его поверхности небольшие токи, нейтрализующие входящее магнитное поле. В результате напряженность магнитного поля внутри поверхности сверхпроводника точно равна нулю. Если вы нанесете на карту чистые линии магнитного поля, это покажет, что они изгибаются вокруг объекта.

Но как это заставляет его левитировать?

Когда сверхпроводник помещается на магнитную дорожку, эффект заключается в том, что сверхпроводник остается над дорожкой, по существу отталкиваемый сильным магнитным полем прямо на поверхности дорожки. Конечно, существует предел тому, насколько высоко над трассой его можно толкнуть, поскольку сила магнитного отталкивания должна противодействовать силе гравитации.

Диск сверхпроводника типа I продемонстрирует эффект Мейснера в его наиболее экстремальном варианте, который называется «совершенным диамагнетизмом», и не будет содержать никаких магнитных полей внутри материала. Он будет левитировать, пытаясь избежать любого контакта с магнитным полем. Проблема в том, что левитация неустойчива. Левитирующий объект обычно не остается на месте. (Этот же процесс был способен левитировать сверхпроводники внутри вогнутого, чашеобразного свинцового Магнита, в котором магнетизм толкает одинаково со всех сторон.)

Чтобы быть полезной, левитация должна быть немного более стабильной. Вот тут-то и вступает в игру квантовая блокировка.

Флюсовые Трубки

Одним из ключевых элементов процесса квантовой блокировки является существование этих трубок потока, называемых «вихрем». Если сверхпроводник очень тонкий, или если сверхпроводник является сверхпроводником типа II, сверхпроводнику требуется меньше энергии, чтобы позволить некоторому магнитному полю проникнуть в сверхпроводник. Вот почему вихри потока формируются в областях, где магнитное поле способно, по сути, «проскальзывать» через сверхпроводник.

В случае, описанном выше Тель-Авивской командой, им удалось вырастить специальную тонкую керамическую пленку на поверхности пластины. При охлаждении этот керамический материал является сверхпроводником типа II. Из-за того, что он такой тонкий, проявленный диамагнетизм не идеален. с учетом создания этих вихрей потока, проходящих через материал.

Вихри потока также могут образовываться в сверхпроводниках типа II, даже если материал сверхпроводника не такой тонкий. Сверхпроводник типа II может быть разработан для усиления этого эффекта, называемого «усиленным закреплением потока».

Квантовая Блокировка

Когда поле проникает в сверхпроводник в виде трубки потока, оно по существу выключает сверхпроводник в этой узкой области. Представьте себе каждую трубку как крошечную несверхпроводящую область в середине сверхпроводника. Если сверхпроводник движется, вихри потока будут двигаться. Однако запомните две вещи:

Сам сверхпроводящий материал создает силу, препятствующую любому движению относительно магнитного поля. Например, если вы наклоните сверхпроводник, вы «зафиксируете» или «поймаете» его в это положение. Он обойдет всю трассу с одинаковым углом наклона. Этот процесс фиксации сверхпроводника на месте по высоте и ориентации уменьшает любое нежелательное колебание (а также визуально впечатляет, как показал Тель-Авивский университет).

Вы можете переориентировать сверхпроводник в магнитном поле, потому что ваша рука может приложить гораздо больше силы и энергии, чем то, что оказывает поле.

Другие виды квантовой левитации

Процесс квантовой левитации, описанный выше, основан на магнитном отталкивании, но есть и другие методы квантовой левитации, которые были предложены, в том числе некоторые, основанные на эффекте Казимира. Опять же, это включает в себя некоторые любопытные манипуляции с электромагнитными свойствами материала, так что остается увидеть, насколько это практично.

Будущее квантовой левитации

К сожалению, нынешняя интенсивность этого эффекта такова, что летающих машин у нас еще довольно долго не будет. Кроме того, он работает только в сильном магнитном поле, а это означает, что нам придется строить новые магнитные дороги. Однако в Азии уже существуют поезда магнитной левитации, которые используют этот процесс, в дополнение к более традиционным поездам электромагнитной левитации (maglev).

Еще одно полезное применение — создание действительно бесфрикционных подшипников. Подшипник мог бы вращаться, но он был бы подвешен без прямого физического контакта с окружающим корпусом, так что не было бы никакого трения. Для этого наверняка найдется какое-то промышленное применение, и мы будем держать ухо востро, когда они попадут в новости.

Квантовая левитация в популярной культуре

В то время как первоначальное видео на YouTube получило большое распространение на телевидении, одно из самых ранних появлений реальной квантовой левитации в популярной культуре было 9 ноября в эпизоде The Colbert Report Стивена Кольбера, комедийного Центрального сатирического политического Пандит-шоу. Кольбер привез ученого доктора Мэтью С. Салливана с физического факультета Итакского колледжа. Кольбер объяснил своей аудитории науку, лежащую в основе квантовой левитации, следующим образом:

https://www.thoughtco.com/quantum-levitation-and-how-does-it-work-2699356

Ссылка на основную публикацию