Hvordan Quantum Levitation fungerer
Kvantelevitasjon kan få objekter til å flyte og fly
Maglev-tog, som dette i Shanhgai Kina, flyr eller svever i hovedsak på grunn av magnetfeltet.
Yaorusheng/Getty Images
Noen videoer på internett viser noe som kalles 'kvantelevitasjon'. Hva er dette? Hvordan virker det? Vil vi kunne ha flygende biler?
Kvantelevitasjon som det kalles er en prosess hvor forskere bruker egenskapene til kvantefysikk å levitere et objekt (spesifikt, en superleder ) over en magnetisk kilde (spesifikt et kvantelevitasjonsspor designet for dette formålet).
Vitenskapen om kvantelevitasjon
Grunnen til at dette fungerer er noe som kalles Meissner-effekt og magnetisk fluksstifting. Meissner-effekten tilsier at en superleder i et magnetfelt alltid vil utvise magnetfeltet inne i det, og dermed bøye magnetfeltet rundt det. Problemet er et spørsmål om likevekt. Hvis du bare plasserte en superleder på toppen av en magnet, ville superlederen bare flyte av magneten, på en måte som å prøve å balansere to sydmagnetiske poler av stangmagneter mot hverandre.
Kvantelevitasjonsprosessen blir langt mer spennende gjennom prosessen med fluksstifting, eller kvantelåsing, som beskrevet av superledergruppen ved Tel Aviv University på denne måten:
Superledning og magnetfelt [sic] liker ikke hverandre. Når det er mulig, vil superlederen drive ut alt magnetfeltet innenfra. Dette er Meissner-effekten. I vårt tilfelle, siden superlederen er ekstremt tynn, trenger magnetfeltet inn. Imidlertid gjør den det i diskrete mengder (dette er kvantefysikk tross alt! ) kalt fluksrør. Inne i hvert magnetisk fluksrør er superledning lokalt ødelagt. Superlederen vil prøve å holde magnetrørene festet i svake områder (f.eks. korngrenser). Enhver romlig bevegelse av superlederen vil føre til at fluksrørene beveger seg. For å forhindre at superlederen forblir 'fanget' i luften. Begrepene 'kvantelevitasjon' og 'kvantelåsing' ble laget for denne prosessen av fysikeren Guy Deutscher ved Tel Aviv University, en av de ledende forskerne på dette feltet.
Meissner-effekten
La oss tenke på hva en superleder egentlig er: det er et materiale der elektroner er i stand til å flyte veldig lett. Elektroner strømmer gjennom superledere uten motstand, slik at når magnetiske felter nærmer seg et superledende materiale, danner superlederen små strømmer på overflaten som kansellerer det innkommende magnetfeltet. Resultatet er at magnetfeltintensiteten på innsiden av overflaten til superlederen er nøyaktig null. Hvis du kartla nettmagnetfeltlinjene, ville det vise at de bøyer seg rundt objektet.
Men hvordan får dette det til å sveve?
Når en superleder plasseres på et magnetisk spor, er effekten at superlederen forblir over sporet, i hovedsak blir skjøvet bort av det sterke magnetfeltet rett ved sporets overflate. Det er en grense for hvor langt over sporet det kan skyves, selvfølgelig, siden kraften til den magnetiske frastøtningen må motvirke kraften til gravitasjon .
En disk av en type-I-superleder vil demonstrere Meissner-effekten i sin mest ekstreme versjon, som kalles 'perfekt diamagnetisme', og vil ikke inneholde magnetiske felt inne i materialet. Den vil levitere ettersom den prøver å unngå kontakt med magnetfeltet. Problemet med dette er at levitasjonen ikke er stabil. Det svevende objektet vil normalt ikke forbli på plass. (Denne samme prosessen har vært i stand til å levitere superledere i en konkav, bolleformet blymagnet, der magnetismen skyver likt på alle sider.)
For å være nyttig, må levitasjonen være litt mer stabil. Det er her kvantelåsing spiller inn.
Fluksrør
Et av nøkkelelementene i kvantelåseprosessen er eksistensen av disse fluksrørene, kalt en 'virvel'. Hvis en superleder er veldig tynn, eller hvis superlederen er en type II superleder, koster det superlederen mindre energi å la noe av magnetfeltet trenge gjennom superlederen. Det er derfor fluksvirvlene dannes, i områder der magnetfeltet faktisk er i stand til å 'gli gjennom' superlederen.
I tilfellet beskrevet av Tel Aviv-teamet ovenfor, var de i stand til å dyrke en spesiell tynn keramisk film over overflaten av en wafer. Når det er avkjølt, er dette keramiske materialet en type II-superleder. Fordi det er så tynt, er ikke diamagnetismen som vises perfekt ... noe som tillater dannelsen av disse fluksvirvlene som passerer gjennom materialet.
Fluksvirvler kan også dannes i superledere av type II, selv om superledermaterialet ikke er fullt så tynt. Type II-superlederen kan utformes for å forsterke denne effekten, kalt 'enhanced flux pinning'.
Kvantelåsing
Når feltet trenger inn i superlederen i form av et fluksrør, slår det i hovedsak av superlederen i det smale området. Se for deg hvert rør som et lite ikke-superlederområde i midten av superlederen. Hvis superlederen beveger seg, vil fluksvirvlene bevege seg. Husk imidlertid to ting:
- fluksvirvlene er magnetiske felt
- superlederen vil skape strømmer for å motvirke magnetiske felt (dvs. Meissner-effekten)
Selve superledermaterialet vil skape en kraft for å hindre enhver form for bevegelse i forhold til magnetfeltet. Hvis du for eksempel vipper superlederen, vil du 'låse' eller 'klemme' den i den posisjonen. Den vil gå rundt et helt spor med samme tiltvinkel. Denne prosessen av låser superlederen på plass ved høyde og orientering reduserer enhver uønsket slingring (og er også visuelt imponerende, som vist av Tel Aviv University.)
Du er i stand til å reorientere superlederen innenfor magnetfeltet fordi hånden din kan bruke mye mer kraft og energi enn det feltet utøver.
Andre typer kvantelevitasjon
Prosessen med kvantelevitasjon beskrevet ovenfor er basert på magnetisk frastøtning, men det er andre metoder for kvantelevitasjon som har blitt foreslått, inkludert noen basert på Casimir-effekten. Igjen, dette innebærer en merkelig manipulering av de elektromagnetiske egenskapene til materialet, så det gjenstår å se hvor praktisk det er.
Fremtiden for kvantelevitasjon
Dessverre er den nåværende intensiteten av denne effekten slik at vi ikke vil ha flygende biler på en stund. Dessuten fungerer den bare over et sterkt magnetfelt, noe som betyr at vi må bygge nye magnetiske sporveier. Imidlertid er det allerede magnetiske levitasjonstog i Asia som bruker denne prosessen, i tillegg til de mer tradisjonelle elektromagnetiske levitasjonstogene (maglev).
En annen nyttig applikasjon er å lage virkelig friksjonsfrie lagre. Lageret ville være i stand til å rotere, men det ville være suspendert uten direkte fysisk kontakt med det omkringliggende huset slik at det ikke ville være noen friksjon. Det vil garantert være noen industrielle applikasjoner for dette, og vi vil holde øynene åpne når de kommer på nyhetene.
Kvantelevitasjon i populærkulturen
Mens den første YouTube-videoen ble spilt mye på TV, var en av de tidligste populærkulturopptredenene med ekte kvantelevitasjon i episoden 9. november av Stephen Colberts Colbert-rapporten , et Comedy Central satirisk politisk forstå-show. Colbert tok med forskeren Dr. Matthew C. Sullivan fra Ithaca College fysikkavdeling. Colbert forklarte for publikum vitenskapen bak kvantelevitasjon på denne måten:
Som jeg er sikker på at du vet, refererer kvantelevitasjon til fenomenet der de magnetiske flukslinjene som strømmer gjennom en type II-superleder festes på plass til tross for de elektromagnetiske kreftene som virker på dem. Jeg lærte det fra innsiden av en Snapple-hette. Deretter fortsatte han å levitere en minikopp av Stephen Colberts Americone Dream-iskrem. Han var i stand til å gjøre dette fordi de hadde plassert en superlederskive i bunnen av iskremkoppen. (Beklager å gi opp spøkelsen, Colbert. Takk til Dr. Sullivan for å snakke med oss om vitenskapen bak denne artikkelen!)