Hur kvant Levitation fungerar

Vissa filmer på internet visar något som kallas "kvant levitation." Vad är detta? Hur fungerar det? Kommer vi kunna ha flygande bilar?

Kvantelevitation som det kallas är en process där forskare använder egenskaperna hos kvantfysik att levitera ett föremål (specifikt, a supraledare) över en magnetisk källa (specifikt ett kvantelevitationsspår utformat för detta ändamål).

Anledningen till att detta fungerar är något som kallas Meissner-effekt och magnetisk flödespinning. Meissner-effekten dikterar att en superledare i ett magnetfält alltid kommer att utvisa magnetfältet inuti det och därmed böja magnetfältet runt det. Problemet är en fråga om jämvikt. Om du bara placerade en superledare ovanpå en magnet, skulle superledaren bara flyta av magneten, liksom att försöka balansera två sydmagnetiska poler av stapelmagneter mot var och en Övrig.

Kvantelevitationsprocessen blir mycket mer spännande genom processen för flusspinning eller kvantlåsning, såsom beskrivs av Tel Aviv Universitys superledargrupp på detta sätt:

Superkonduktivitet och magnetfält [sic] gillar inte varandra. När det är möjligt kommer superledaren att utvisa allt magnetfält inifrån. Detta är Meissner-effekten. I vårt fall, eftersom superledaren är extremt tunn, penetrerar magnetfältet DO. Men det gör det i diskreta mängder (detta är kvantfysik trots allt! ) kallas flödesrör. Inuti varje magnetiskt flödesrör förstörs superledningen lokalt. Superledaren kommer att försöka hålla magnetrören fästa i svaga områden (t.ex. korngränser). Varje rumslig rörelse hos superledaren kommer att leda till att rörledningarna rör sig. För att förhindra att superledaren förblir "instängd" i midair. Termerna "kvantelevitation" och "kvantlåsning" myntades för denna process av Tel Avivs universitetsfysiker Guy Deutscher, en av de främsta forskarna inom detta område.

Låt oss tänka på vad en superledare egentligen är: det är ett material där elektroner kan flyta mycket lätt. Elektroner strömmar genom superledare utan motstånd, så att magnetfält närmar sig en superledande material, superledaren bildar små strömmar på ytan och avbryter det inkommande magnetiskt fält. Resultatet är att magnetfältintensiteten inuti ytan på superledaren är exakt noll. Om du kartlade nätmagnetfältlinjerna skulle det visa att de böjer sig runt objektet.

Men hur får det att levitera?

När en superledare placeras på ett magnetiskt spår är effekten att superledaren blir kvar ovanför spåret, som i huvudsak skjuts bort av det starka magnetfältet precis vid spårets yta. Det finns en gräns för hur långt över banan det kan skjutas, naturligtvis, eftersom kraften hos den magnetiska avstötningen måste motverka kraften hos allvar.

En skiva av en typ I-superledare kommer att visa Meissner-effekten i sin mest extrema version, som kallas "perfekt diamagnetism" och inte kommer att innehålla magnetfält inuti material. Det kommer att levite, eftersom det försöker undvika kontakt med magnetfältet. Problemet med detta är att levitationen inte är stabil. Det häftande föremålet förblir normalt inte på plats. (Samma process har lyckats leva superledare i en konkav, skålformad blymagnet, i vilken magnetismen trycker lika på alla sidor.)

För att vara användbar måste levitationen vara lite mer stabil. Det är där kvantlåsning spelar in.

Ett av de viktigaste elementen i kvantlåsningsprocessen är förekomsten av dessa flödesrör, kallade en "virvel". Om en superledare är väldigt tunn, eller om superledaren är en typ-II superledare, kostar det superledaren mindre energi för att låta en del av magnetfältet tränga igenom superledaren. Därför bildas flödesvorter i regioner där magnetfältet i själva verket kan "glida igenom" superledaren.

I det fall som beskrivs av Tel Aviv-teamet ovan kunde de odla en speciell tunn keramisk film över ytan på en skiva. När det är kylt är detta keramiska material en superledare av typ II. Eftersom den är så tunn är diamagnetismen som visas inte perfekt... vilket möjliggör skapandet av dessa flödesvorter som passerar genom materialet.

Fluxvortex kan också bildas i typ-II superledare, även om superledarmaterialet inte är så tunt. Typ-II superledare kan utformas för att förbättra denna effekt, kallad "förbättrad flusspinning."

När fältet tränger in i superledaren i form av ett flödesrör stänger det väsentligen av superledaren i det smala området. Föreställ varje rör som en liten region som inte är superledande i mitten av superledaren. Om superledaren rör sig rör sig flödesvortexen. Kom dock ihåg två saker:

1. flödesvortexen är magnetfält
2. superledaren kommer att skapa strömmar för att motverka magnetfält (dvs. Meissner-effekten)

Själva superledarmaterialet i sig skapar en kraft för att hämma alla slags rörelser i förhållande till magnetfältet. Om du tippar superledaren, till exempel, "låser du" eller "fångar" den i det läget. Det kommer att gå runt ett helt spår med samma lutningsvinkel. Denna process av låsa superledaren på plats genom höjd och orientering minskar alla oönskade slingrare (och är också visuellt imponerande, som visas av Tel Aviv University.)

Du kan orientera superledaren inom magnetfältet eftersom din hand kan använda mycket mer kraft och energi än vad fältet utövar.

Processen för kvant Levitation som beskrivs ovan är baserad på magnetisk avstötning, men det finns andra metoder för kvant Levitation som har föreslagits, inklusive några baserade på Casimir-effekten. Återigen innebär detta en viss nyfiken manipulation av materialets elektromagnetiska egenskaper, så det återstår att se hur praktiskt det är.

Tyvärr är den aktuella intensiteten för denna effekt sådan att vi inte kommer att ha flygande bilar på länge. Dessutom fungerar det bara över ett starkt magnetfält, vilket innebär att vi skulle behöva bygga nya magnetiska spårvägar. Men det finns redan magnetiska levitationståg i Asien som använder denna process, utöver de mer traditionella elektromagnetiska levitation (maglev) tågen.

En annan användbar applikation är skapandet av riktigt friktionsfria lager. Lagret skulle kunna rotera, men det skulle upphängas utan direkt fysisk kontakt med det omgivande höljet så att det inte skulle bli någon friktion. Det kommer säkert att finnas några industriella applikationer för detta, och vi håller ögonen öppna för när de slår nyheterna.

Medan den ursprungliga YouTube-videon fick mycket spel på TV, var en av de tidigaste populära kulturuppträdandena av verklig kvantelevitation på 9 november avsnittet av Stephen Colberts Colbert-rapporten, en komedi Central satirisk politisk pundit-show. Colbert tog med sig forskaren Dr. Matthew C. Sullivan från Ithaca College fysikavdelning. Colbert förklarade för sin publik vetenskapen bakom kvantelevitation på detta sätt:

Som jag är säker på att du vet, kvantelevitation hänvisar till fenomenet där magnetiska flödeslinjer som strömmar genom en typ-II-superledare fästs på plats trots de elektromagnetiska krafterna som verkar på dem. Jag lärde mig det från insidan av en Snapple-mössa. Han fortsatte sedan att levite en minikopp av hans Stephen Colbert's Americone Dream glassglassmak. Han kunde göra det eftersom de hade placerat en superledarskiva i botten av glassmuggen. (Ledsen att ge upp spöket, Colbert. Tack till Dr. Sullivan för att du pratade med oss ​​om vetenskapen bakom denna artikel!)