В течение трех лет, будучи студентом-физиком, выступающим на научных магических шоу и открытых домах, я убеждал студентов (а иногда и их родителей), что я какой-то волшебник, левитируя маленький кубический магнит. Магнит парил над сверхпроводником всего на сантиметр или около того, но этого было достаточно, чтобы размахивать листом бумаги между ними, чтобы доказать, что между ними буквально не было никаких обязательств. Постукивание по одному краю куба заставляло его вращаться на месте, и даже если вы толкнули магнит вниз, он решительно отскочил назад — если это не удалось, это означало, что сверхпроводник должен быть холоднее.
Простым рецептом этого научно обоснованного заклинания было бы использование жидкого азота для охлаждения керамического сверхпроводника, находящегося в резервуаре из пенополистирола, и магнита, создающего сильное постоянное магнитное поле из редкоземельных элементов.
Левитация работает благодаря сверхпроводимости, которую можно понять с помощью основных принципов проводимости. Определенные элементы и материалы, метко называемые проводниками, служат в качестве электрического проводника, что означает, что электроны могут проходить через них с относительной легкостью. Эти электроны все еще сталкиваются с атомами, составляющими проводник, и теряют немного энергии при каждом столкновении. Но при охлаждении до достаточно низкой температуры электроны могут свободно проходить через проводник без каких-либо столкновений. Это потому, что электроны соединяются в пары при чрезвычайно низких температурах (в то время как тепло разрушило бы предварительную связь между ними). Хотя их связи слабы, их сила в числах: объединение в пары приводит к тому, что столкновения, которые обычно вытягивают энергию из потока электронов, не оказывают никакого эффекта, потому что столкновения слабее, чем связь электронов.
Критическая температура сверхпроводника — насколько она должна быть холодной, чтобы эти пары были возможны — зависит от его материала. Металлические сверхпроводники, такие как чистый алюминий или ниобий, например, имеют чрезвычайно низкие критические температуры, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Однако использование одного из них для домашнего эксперимента не является вариантом, если только у вас не окажется много жидкого гелия. (Жидкий гелий кипит при температуре 4,2 кельвина или около 270 градусов по Цельсию, всего на несколько градусов ниже абсолютного нуля). К счастью, есть альтернатива: высокотемпературные сверхпроводники, которые представляют собой керамику, изготовленную из множества элементов, которые позволяют электронам свободно течь при температурах, немного превышающих большинство критических.
77 К (около 196 градусов по Цельсию) не похоже на день в тропиках, но в мире сверхпроводников это совершенно жарко. Это также температура, при которой кипит жидкий азот — гораздо более доступный, чем жидкий гелий -. Для большинства высокотемпературных керамических сверхпроводников, таких как изготовленные из оксида меди иттрия-бария (YBCO) или оксида меди висмута-стронция-кальция (BSCCO), жидкий азот может использоваться для охлаждения их ниже критических температур.
Теперь у нас под рукой две части головоломки: высокотемпературный сверхпроводник и достаточное количество жидкого азота, чтобы он оставался прохладным. Но как мы можем поместить магнит над охлажденным сверхпроводником? (Или наоборот: в нашем видео с Ричардом Гэрриотом он поместил охлажденный сверхпроводник над слоем редкоземельных магнитов.)
Квантовая магнитная левитация сводится к так называемому эффекту Мейснера, который возникает только тогда, когда материал достаточно холодный, чтобы вести себя как сверхпроводник. При нормальных температурах магнитные поля могут нормально проходить через материал. Однако, как только становится достаточно холодно, чтобы проявить сверхпроводимость, эти магнитные поля вытесняются. Любые магнитные поля, которые проходили через него, должны были вместо этого перемещаться вокруг него. Когда магнит помещается над сверхпроводником при критической температуре, сверхпроводник отталкивает свое поле, действуя как магнит с тем же полюсом, заставляя магнит отталкиваться, то есть «плавать» — никакой магической ловкости рук не требуется.
https://www.scientificamerican.com/article/how-do-they-do-that-a-closer-look-at-quantum-magnetic-levitation/
Загрузка...
