Hoe Quantum Levitatie werkt

Sommige video's op internet laten iets zien dat 'kwantumlevitatie' wordt genoemd. Wat is dit? Hoe werkt het? Kunnen we vliegende auto's hebben?

Quantumlevitatie zoals het wordt genoemd, is een proces waarbij wetenschappers de eigenschappen van gebruiken kwantumfysica om een ​​object te laten zweven (met name een supergeleider) over een magnetische bron (specifiek een quantum levitatie spoor ontworpen voor dit doel).

De reden waarom dit werkt, is de zogenaamde Meissner-effect en magnetische flux vastzetten. Het Meissner-effect dicteert dat een supergeleider in een magnetisch veld altijd het magnetische veld erin zal verdrijven en dus het magnetische veld eromheen zal buigen. Het probleem is een kwestie van evenwicht. Als je gewoon een supergeleider bovenop een magneet zou plaatsen, zou de supergeleider gewoon wegdrijven de magneet, zoals het proberen om twee magnetische zuidpolen van staafmagneten tegen elkaar te balanceren andere.

Het quantum levitatie proces wordt veel intrigerend door het proces van flux pinning of quantum locking, zoals beschreven door de supergeleidergroep van de Tel Aviv University:

Supergeleiding en magnetisch veld [sic] houden niet van elkaar. Waar mogelijk verdrijft de supergeleider al het magnetische veld van binnenuit. Dit is het Meissner-effect. In ons geval, omdat de supergeleider extreem dun is, penetreert het magnetische veld. Het doet dat echter in discrete hoeveelheden (dit is kwantumfysica ten slotte! ) genaamd fluxbuizen. In elke magnetische fluxbuis wordt de supergeleiding plaatselijk vernietigd. De supergeleider zal proberen de magnetische buizen vast te houden in zwakke gebieden (bijv. Korrelgrenzen). Elke ruimtelijke beweging van de supergeleider zorgt ervoor dat de fluxbuizen bewegen. Om te voorkomen dat de supergeleider in de lucht "gevangen" blijft. De termen "quantum levitatie" en "quantum locking" zijn voor dit proces bedacht door de natuurkundige Guy Deutscher van Tel Aviv University, een van de leidende onderzoekers op dit gebied.

Laten we eens kijken wat een supergeleider eigenlijk is: het is een materiaal waarin elektronen heel gemakkelijk kunnen stromen. Elektronen stromen zonder weerstand door supergeleiders, zodat wanneer magnetische velden dichtbij a komen supergeleidend materiaal, de supergeleider vormt kleine stroompjes op het oppervlak, waardoor de binnenkomende stroom wordt uitgeschakeld magnetisch veld. Het resultaat is dat de magnetische veldintensiteit in het oppervlak van de supergeleider precies nul is. Als je de magnetische netveldlijnen in kaart bracht, zou dat laten zien dat ze om het object heen buigen.

Maar hoe laat dit het zweven?

Als een supergeleider op een magnetisch spoor wordt geplaatst, blijft de supergeleider achter boven de baan, in wezen weggeduwd door het sterke magnetische veld direct bij de baan oppervlakte. Er is natuurlijk een limiet aan hoe ver boven het spoor het kan worden geduwd, aangezien de kracht van de magnetische afstoting de kracht van zwaartekracht.

Een schijf van een type I supergeleider zal het Meissner-effect demonstreren in zijn meest extreme versie, die "perfect diamagnetisme" wordt genoemd, en die geen magnetische velden binnen de materiaal. Het zweeft, omdat het elk contact met het magnetische veld probeert te vermijden. Het probleem hiermee is dat de levitatie niet stabiel is. Het zwevende object blijft normaal niet op zijn plaats. (Ditzelfde proces is in staat geweest om supergeleiders te laten zweven in een concave, komvormige loodmagneet, waarin het magnetisme aan alle kanten gelijkmatig duwt.)

Om nuttig te zijn, moet de levitatie een beetje stabieler zijn. Dat is waar quantum-vergrendeling een rol speelt.

Een van de belangrijkste elementen van het quantum-vergrendelingsproces is het bestaan ​​van deze fluxbuizen, een "vortex" genoemd. Als een supergeleider erg dun is, of als de supergeleider een type-II supergeleider is, kost het de supergeleider minder energie om een ​​deel van het magnetische veld in de supergeleider te laten doordringen. Dat is de reden waarom de fluxwervelingen zich vormen in gebieden waar het magnetische veld in feite door de supergeleider kan "glijden".

In het geval dat hierboven door het team van Tel Aviv is beschreven, konden ze een speciale dunne keramische film over het oppervlak van een wafer laten groeien. Na afkoeling is dit keramische materiaal een type-II supergeleider. Omdat het zo dun is, is het getoonde diamagnetisme niet perfect... waardoor deze fluxwervelingen door het materiaal worden gecreëerd.

Fluxwervelingen kunnen zich ook vormen in type-II supergeleiders, zelfs als het supergeleidermateriaal niet zo dun is. De type-II supergeleider kan worden ontworpen om dit effect te verbeteren, "verbeterde fluxpinning" genoemd.

Wanneer het veld de supergeleider binnendringt in de vorm van een fluxbuis, schakelt het in wezen de supergeleider in dat smalle gebied uit. Stel je elke buis voor als een klein niet-supergeleidergebied in het midden van de supergeleider. Als de supergeleider beweegt, zullen de fluxwervelingen bewegen. Onthoud echter twee dingen:

1. de fluxwervelingen zijn magnetische velden
2. de supergeleider zal stromen creëren om magnetische velden tegen te gaan (d.w.z. het Meissner-effect)

Het zeer supergeleidende materiaal zelf zal een kracht creëren om elke vorm van beweging met betrekking tot het magnetische veld te remmen. Als u de supergeleider bijvoorbeeld kantelt, "vergrendelt" of "vergrendelt" u deze in die positie. Het gaat over een hele baan met dezelfde kantelhoek. Dit proces van vergrendeling van de supergeleider op zijn plaats door hoogte en oriëntatie vermindert ongewenste schommelingen (en is ook visueel indrukwekkend, zoals aangetoond door de Universiteit van Tel Aviv.)

Je bent in staat om de supergeleider in het magnetische veld te heroriënteren omdat je hand veel meer kracht en energie kan uitoefenen dan wat het veld uitoefent.

Het hierboven beschreven proces van kwantumlevitatie is gebaseerd op magnetische afstoting, maar er zijn andere methoden voor kwantumlevitatie voorgesteld, waaronder enkele op basis van het Casimir-effect. Nogmaals, dit omvat een merkwaardige manipulatie van de elektromagnetische eigenschappen van het materiaal, dus het valt nog te bezien hoe praktisch het is.

Helaas is de huidige intensiteit van dit effect zodanig dat we nog een hele tijd geen vliegende auto's zullen hebben. Het werkt ook alleen over een sterk magnetisch veld, wat betekent dat we nieuwe magnetische spoorwegen moeten aanleggen. Er zijn echter al magnetische levitatietreinen in Azië die dit proces gebruiken, naast de meer traditionele elektromagnetische levitatietreinen (maglev).

Een andere nuttige toepassing is het creëren van echt wrijvingsloze lagers. Het lager zou kunnen roteren, maar het zou worden opgehangen zonder direct fysiek contact met de omringende behuizing, zodat er geen wrijving zou zijn. Daar zullen zeker industriële toepassingen voor zijn, en we houden onze ogen open voor wanneer ze het nieuws raken.

Hoewel de eerste YouTube-video veel op televisie werd gespeeld, was een van de eerste populaire culturele verschijningen van echte kwantumlevitatie in de aflevering van 9 november van Stephen Colbert Het Colbert-rapport, een satirische politieke pundit-show van Comedy Central. Colbert bracht wetenschapper Dr. Matthew C. Sullivan van de natuurkunde-afdeling van het Ithaca College. Colbert legde zijn publiek de wetenschap achter kwantum levitatie op deze manier uit:

Zoals je zeker weet, verwijst kwantum levitatie naar het fenomeen waarbij de magnetische fluxlijnen stromend door een type-II supergeleider zijn vastgezet ondanks de elektromagnetische krachten die werken op hen. Dat heb ik van de binnenkant van een Snapple-pet geleerd. Hij ging vervolgens over tot een mini-kopje levitatie van zijn Stephen Colbert's Americone Dream ijssmaak. Hij was in staat dit te doen omdat ze een supergeleiderschijf in de bodem van de ijsbeker hadden geplaatst. (Sorry dat ik de geest heb opgegeven, Colbert. Dank aan Dr. Sullivan voor het spreken met ons over de wetenschap achter dit artikel!)