Несколько недель назад в ASTC (Ассоциация научно-технических центров) На ежегодной конференции, проходившей в Балтиморе, была сделана запись демо-версии «квантовая левитация» и загружена на Youtube. С тех пор это стало вирусной сенсацией, набрав более 5,5 миллионов просмотров менее чем за 10 дней! Если вы еще не видели его, вы можете посмотреть его здесь.
Клип был демонстрацией невозможного; было показано, что объект может быть как левитирован, так и зафиксирован в трехмерном пространстве с любой предпочтительной ориентацией. Конечно, этот объект был сверхпроводящим сапфировым сланцем, и пространство, в котором он застыл, находилось над какой-то подготовленной магнитной пластиной — то есть вещами, которые обычно не встречаются, — но этот факт не должен умалять его удивления.
Как это работает?
Давайте начнем с настройки. Магниты, расположенные вдоль дорожек, являются постоянными редкоземельными магнитами. Несмотря на название, эти магниты по сути такие же, как те, которые вы найдете на своем холодильнике, за исключением того, что они намного прочнее. Эти магниты создают магнитное поле, которое — если вы можете себе представить — проходит перпендикулярно плоскости магнита и расходится с (а) расстоянием вдоль этой оси и (б) расстоянием от этой оси. Поскольку эти магниты довольно плоские, а диск расположен близко к поверхности, давайте предположим, что магнитное поле равномерно распространяется вверх и вниз. Диск, используемый в эксперименте, состоял из монокристаллической сапфировой пластины, покрытой очень тонким слоем (
1um) оксида меди бария иттрия, YBCO 1.
При комнатной температуре ничего впечатляющего не происходит. Линии магнитного поля, проходящие перпендикулярно плоскости, проходят прямо через диск. Другими словами, если бы вы сбросили диск с некоторого расстояния над магнитом, он бы просто рухнул — никакой левитации.
Однако все становится интереснее, как только диск переохлаждается. Переохлаждение — это процесс, при котором температура материала понижается ниже критической точки, так что он становится сверхпроводником. Для сапфира, покрытого оксидом меди иттрия и бария, эта температура составляет приблизительно -185 °C 1. Здесь интересно отметить, что как только материал становится сверхпроводником, он приобретает способность проводить электричество без какого-либо сопротивления; следовательно, не приводит к рассеиванию энергии. (Например, сопротивление меди — вот почему наши компьютеры так нагреваются!)
Другое явление, проявляемое сверхпроводниками, заключается в том, что они вытесняют почти весь магнитный поток, а это означает, что силовые линии, которые когда-то проходили через объект, больше не могут этого делать. Действительно, эти линии поля теперь должны огибать объект. Это явление известно как эффект Мейснера. См. рисунок ниже. Отталкивая магнитное поле, объект, в свою очередь, отталкивает магнит. Поэтому, когда эта сила отталкивания превосходит силу тяжести, говорят, что объект левитирует.
Но что позволяет ему быть запертым в пространстве? Сама по себе сила отталкивания из-за исключения линий магнитного поля должна только левитировать объект, но не привносить в него никакой стабильности — подумайте об этом! Поэтому фиксация объекта в пространстве с помощью магнитного поля должна включать в себя другой элемент.
Здесь мы вводим понятие закрепления потока. Закрепление потока описывает исключительный случай, когда линии магнитного поля действительно проникают в сверхпроводник. Это явление часто возникает в условиях, когда сверхпроводник чрезвычайно тонок или когда материал имеет некоторые структурные дефекты. В этих случаях линии поля могут сходиться в области дефекта, проходить через материал и расходиться с другой стороны 1,2. Смотрите рисунок ниже.
И это является источником «квантовой блокировки». Закрепление флюсовых трубок через сверхпроводник разрушает локальную сверхпроводимость, присутствующую в этой области. В результате остальная часть сверхпроводника становится устойчивой к изменениям пространственной ориентации, чтобы сохранить закрепление потока в этих слабых местах. Поступая таким образом, сверхпроводник запирается в пространстве 2.
https://www.nature.com/scitable/blog/student-voices/a_closer_look_at_quantum/
Загрузка...
