Kuinka kvanttilevitaatio toimii

Jotkut internetin videot osoittavat jotain nimeltään "kvanttilevitaatio". Mikä tämä on? Kuinka se toimii? Voimmeko saada lentäviä autoja?

Kvanttinen levitaatio, kuten sitä kutsutaan, on prosessi, jossa tutkijat käyttävät kvanttifysiikka esineen levitaatio (erityisesti a suprajohde) yli magneettinen lähde (erityisesti tähän tarkoitukseen suunniteltu kvanttilevitaatiorata).

Syynä tähän on jotain, jota kutsutaan Meissner-vaikutus ja magneettivuon kiinnitys. Meissner-efekti määrää, että magneettikentän suprajohdin poistaa aina sen sisällä olevan magneettikentän ja taipuu magneettikentän ympärille. Ongelma on tasapainon kysymys. Jos sijoittaisit vain suprajohteen magneetin päälle, suprajohdin vain kelluisi magneetti, tavallaan kuin yritetään tasapainottaa kahta eteläistä magneettinapaa tankkimagneetin suhteen kutakin muut.

Kvanttilevitaatioprosessista tulee paljon mielenkiintoisempaa fluxin kiinnitysprosessin tai kvanttilukituksen avulla, kuten Tel Avivin yliopiston suprajohtajien ryhmä on kuvannut tällä tavalla:

Suprajohtavuus ja magneettikenttä [sic] eivät pidä toisistaan. Mikäli mahdollista, suprajohdin karkottaa kaiken magneettikentän sisältä. Tämä on Meissner-efekti. Koska suprajohdin on erittäin ohut, tapauksessamme magneettikenttä DOES tunkeutuu. Se kuitenkin tekee sen erillisinä määrinä (tämä on kvanttifysiikka kuitenkin! ), joita kutsutaan flux-putkiksi. Jokaisen magneettivuon putken sisällä suprajohtavuus tuhoutuu paikallisesti. Suprajohdin yrittää pitää magneettiputket kiinnitettyinä heikoille alueille (esim. Raerajat). Mikä tahansa suprajohteen spatiaalinen liike aiheuttaa vuon putkien liikkumisen. Estääkseen sitä, että suprajohdin jää "loukkuun" midairiin. Termejä "kvanttilevitaatio" ja "kvanttilukitus" keksi tässä prosessissa Tel Avivin yliopiston fyysikko Guy Deutscher, yksi alan johtavista tutkijoista.

Ajattellaan mitä suprajohdin todella on: se on materiaali, jossa elektronit pystyvät virtaamaan erittäin helposti. Elektronit virtaavat suprajohtimien läpi ilman vastusta, joten kun magneettikentät saapuvat lähelle a: ta suprajohtava materiaali, suprajohdin muodostaa pinnalleen pienet virrat, mikä poistaa tulevan magneettikenttä. Tuloksena on, että suprajohtimen pinnan sisällä olevan magneettikentän intensiteetti on tarkalleen nolla. Jos kartoittaisit magneettikentän nettoviivat, se osoittaisi, että ne taipuvat kohteen ympärille.

Mutta miten tämä saa sen levitaatioksi?

Kun suprajohdin asetetaan magneettiseen raitaan, suprajohdin pysyy radan yläpuolella, voimakkaat magneettikentät työntävät ne pääasiassa radan kohdalta pinta. Sillä, kuinka kauas radan yläpuolelle se voidaan työntää, on tietysti raja, koska magneettisen heijastusvoiman on vastapainona painovoima.

Tyypin I suprajohtimen levy osoittaa Meissner-tehon äärimmäisimmässä versiossa, jota kutsutaan "täydelliseksi diamagnetismiksi" ja joka ei sisällä magneettikenttiä materiaalia. Se levitaa, koska se yrittää välttää kosketusta magneettikentään. Tämän ongelmana on, että levitaatio ei ole vakaa. Levitoiva esine ei normaalisti pysy paikoillaan. (Sama prosessi on kyennyt levittämään suprajohteet koveran, kulhoon muotoisen lyijymagneetin sisällä, jossa magneettisuus työntyy tasaisesti kaikilta puolilta.)

Jotta levitation olisi hyödyllistä, sen on oltava hieman vakaampi. Siellä otetaan käyttöön kvanttilukitus.

Yksi kvanttilukitusprosessin avaintekijöistä on näiden vuokaariputkien olemassaolo, joita kutsutaan "pyörreksi". Jos suprajohdin on erittäin ohut tai jos suprajohdin on tyypin II suprajohdin, se maksaa suprajohteelle vähemmän energiaa, jotta osa magneettikentästä tunkeutuisi suprajohteeseen. Siksi vuohöykät muodostuvat alueilla, joilla magneettikenttä pystyy käytännössä "liukumaan" suprajohteen läpi.

Edellä Tel Aviv -ryhmän kuvaamassa tapauksessa he pystyivät kasvattamaan erityisen ohuen keraamisen kalvon kiekon pinnalle. Jäähdytettynä tämä keraaminen materiaali on tyypin II suprajohdin. Koska se on niin ohut, näytteillä oleva diamagnetismi ei ole täydellinen... mahdollistaen näiden materiaalin läpi kulkevien juoksevien pyörteiden luomisen.

Flux-pyörteitä voi muodostua myös tyypin II suprajohteissa, vaikka suprajohdinmateriaali ei olekaan niin ohut. Tyypin II suprajohdin voidaan suunnitella parantamaan tätä vaikutusta, nimeltään "tehostettu vuonpinnoitus".

Kun kenttä tunkeutuu suprajohteeseen flux-putken muodossa, se kytkee suprajohtimen pois päältä sillä kapealla alueella. Kuva kukin putki pienenä ei-suprajohteena alueena suprajohteen keskellä. Jos suprajohdin liikkuu, vuovuorot liikkuvat. Muista kuitenkin kaksi asiaa:

1. vuovuorot ovat magneettikenttiä
2. suprajohdin luo virrat vastaamaan magneettikenttiä (ts. Meissner-ilmiö)

Hyvin suprajohtava materiaali itsessään luo voiman estääkseen kaikenlaista liikettä suhteessa magneettikentään. Jos esimerkiksi kallistat suprajohdina, "lukitut" tai "pidät" sen tähän asentoon. Se kiertää koko radan samalla kallistuskulmalla. Tämä prosessi lukitsemalla suprajohdin paikalleen korkeuden ja suunnan mukaan vähentää ei-toivottua heilutusta (ja on myös visuaalisesti vaikuttava, kuten Tel Avivin yliopisto osoittaa).

Voit suunnata suprajohtimen uudelleen magneettikentään, koska kätesi voi käyttää paljon enemmän voimaa ja energiaa kuin mitä kenttä käyttää.

Edellä kuvailtu kvanttilevitaatioprosessi perustuu magneettiseen heijastumiseen, mutta on olemassa myös muita kvanttilevitaation menetelmiä, joista osa perustuu Casimirin vaikutukseen. Tähän liittyy jälleen jonkin verran uteliasta manipulointia materiaalin sähkömagneettisilla ominaisuuksilla, joten on vielä nähtävä, kuinka käytännöllinen se on.

Valitettavasti tämän vaikutuksen nykyinen voimakkuus on sellainen, että meillä ei ole lentäviä autoja pitkään aikaan. Se toimii myös vain voimakkaan magneettikentän yli, mikä tarkoittaa, että meidän on rakennettava uusia magneettikenttäteitä. Aasiassa on kuitenkin jo magneettisia levitaatiojunia, jotka käyttävät tätä prosessia perinteisten sähkömagneettisen levitaatio (maglev) -junien lisäksi.

Toinen hyödyllinen sovellus on todella kitkattomien laakereiden luominen. Laakeri pystyy pyörimään, mutta se ripustetaan ilman suoraa fyysistä kosketusta ympäröivään koteloon siten, että siinä ei ole kitkaa. Tätä varten on varmasti joitain teollisia sovelluksia, ja pidämme silmämme auki, kun he tulevat uutisiin.

Vaikka alkuperäinen YouTube-video sai paljon pelata televisiossa, yksi aikaisimmista populaarikulttuurin esiintymisistä todellisesta kvanttilevitaatiosta oli 9. marraskuun jaksossa Stephen Colbertin Colbertin raportti, Komedia Keski-satiirinen poliittinen pundit-show. Colbert toi tutkijan Dr. Matthew C. Sullivan Ithaca College -fysiikan laitokselta. Colbert selitti yleisölle kvanttilevitaation taustalla olevan tieteen seuraavasti:

Kuten olen varma, että tiedät, kvanttilevitaatio viittaa ilmiöön, jossa magneettisen vuon viivat johtavat tyypin II suprajohtimen läpi virtaavat kiinnitetään paikoilleen vaikuttavista sähkömagneettisista voimista huolimatta heille. Olen oppinut sen Snapple-korkin sisäpuolelta. Sitten hän levittoi minikupin hänen Stephen Colbertin Americone Dream -jäätelömausta. Hän pystyi tekemään tämän, koska he olivat asettaneet suprajohdinlevyn jäätelökupin pohjalle. (Anteeksi luopua haamusta, Colbert. Kiitos tohtori Sullivanille siitä, että hän puhui kanssamme tämän artikkelin takana olevasta tieteestä!)