Kuidas kvantlevitatsioon töötab

Mõni Internetis olev video näitab nn kvantlevitatsiooni. Mis see on? Kuidas see töötab? Kas meil on lendavaid autosid?

Kvantlevitatsioon, nagu seda nimetatakse, on protsess, kus teadlased kasutavad kvantfüüsika objekti levitamiseks (täpsemalt a ülijuht) üle a magnetiline allikas (spetsiaalselt selleks otstarbeks loodud kvantlevitatsiooni rada).

Põhjus, miks see töötab, on nn Meissneri efekt ja magnetvoo kinnitamine. Meissneri efekt tingib, et magnetväljas olev juhtiv juht väljub selle sees olev magnetväli alati ja painutab magnetvälja selle ümber. Probleem on tasakaaluküsimus. Kui paigutaksite lihtsalt ülijuhi magneti peale, siis hõljuks see ülijuhti magnet, omamoodi nagu üritades tasakaalustada kahte lõunapoolset baarimagneti poolust mõlema suhtes muud.

Kvantlevitatsiooniprotsess muutub märksa intrigeerivamaks läbi flux-sidumise ehk kvantlukustamise, nagu kirjeldas Tel Avivi ülikooli ülijuhtide rühm sel viisil:

Ülijuhtivus ja magnetväli [sic] ei meeldi üksteisele. Võimaluse korral eraldab suprajuht kogu magnetvälja seestpoolt. See on Meissneri efekt. Kuna meie jaoks on ülijuht äärmiselt õhuke, tungib magnetväli MÕJU. Kuid ta teeb seda diskreetsetes kogustes (see on

Mõelgem sellele, mis on ülijuht: see on materjal, milles elektronid on võimelised väga hõlpsalt voolama. Elektronid voolavad takistusteta superjuhtide kaudu nii, et kui magnetväljad lähenevad a-le ülijuhtiv materjal, moodustab ülijuht oma pinnale väikesed voolud, kustutades sissetuleva magnetväli. Tulemuseks on see, et ülijuhi pinna magnetvälja intensiivsus on täpselt null. Kui kaardistate neto magnetvälja jooned, siis see näitab, et need painduvad objekti ümber.

Aga kuidas see selle levitavaks muudab?

Kui ülijuht asetatakse magnetilisele rajale, on see ülijuhi allesjäämine raja kohal, peamiselt tugeva magnetvälja poolt otse raja ääres pind. Muidugi on piiratud, kui kaugele rööbasteest kõrgemale seda saab lükata, kuna magnetilise tõrkejõud peab vastuollu jõudma gravitatsioon.

I tüüpi ülijuhi ketas näitab Meissneri efekti selle kõige ekstreemsemas versioonis, mida nimetatakse "täiuslikuks diamagnetismiks" ja mis ei sisalda magnetvälja sees materjal. See levitab, kuna üritab vältida kokkupuudet magnetväljaga. Selle probleem on see, et levitatsioon pole stabiilne. Levitav ese ei jää tavaliselt oma kohale. (Sama protsess on suutnud ülijuhte levitada nõgusas kausikujulises pliimagnetis, milles magnetism surub võrdselt kõikidest külgedest.)

Et levitatsioon oleks kasulik, peab see olema pisut stabiilsem. Seal tuleb mängu kvantlukustamine.

Kvantlukustusprotsessi üks võtmeelemente on nende voortorude olemasolu, mida nimetatakse "keeriseks". Kui ülijuht on väga õhuke või kui ülijuhiks on II tüübi ülijuht, maksab see ülijuhile vähem energiat, et osa magnetväljast saaks superjuhist läbi tungida. Sellepärast moodustuvad voo keerised piirkondades, kus magnetväli on võimeline tegelikult ülijuhist "libisema".

Eespool kirjeldatud Tel Avivi meeskonna kirjeldatud juhul suutsid nad vahvli pinnale kasvatada spetsiaalse õhukese keraamilise kile. Jahutamisel on see keraamiline materjal II tüübi ülijuht. Kuna see on nii õhuke, pole eksponeeritud diamagnetism täiuslik... võimaldades luua neid materjali läbivaid voo keeriseid.

Fluks-keerised võivad moodustuda ka II tüüpi ülijuhtides, isegi kui ülijuhi materjal pole just nii õhuke. II tüüpi ülijuhti saab konstrueerida selle efekti tugevdamiseks, mida nimetatakse "tõhustatud voo kinnitamiseks".

Kui väli tungib superjuhiks vooletoru kujul, lülitab see ülijuhi selles kitsas piirkonnas sisuliselt välja. Joonistage iga toru kui ülijuhi keskel asuv väike ülijuhtide piirkond. Kui ülijuht liigub, liiguvad ka voolu keerised. Pidage siiski meeles kahte asja:

1. voo keerised on magnetväljad
2. ülijuht tekitab voolusid magnetväljade vastu võitlemiseks (st Meissneri efekt)

Väga ülijuhtiv materjal loob ise jõu, mis pärsib igasugust liikumist magnetvälja suhtes. Näiteks kui kallutate ülijuhti, siis "lukustatakse" või "püütakse kinni" sellesse asendisse. See läheb ümber terve raja sama kaldenurgaga. See protsess ülijuhi lukustamine oma kohale kõrguse ja suuna järgi vähendab soovimatut võnget (ja on ka visuaalselt muljetavaldav, nagu näitas Tel Avivi ülikool.)

Saate ülijuhti magnetväljas ümber suunata, kuna teie käsi saab rakendada palju rohkem jõudu ja energiat kui see, mida väli avaldab.

Ülalkirjeldatud kvantlevitatsiooniprotsess põhineb magnetilisel tõrjumisel, kuid pakutud on ka teisi kvantlevitatsioonimeetodeid, sealhulgas Casimiri efektil põhinevaid. See hõlmab jällegi materjali elektromagnetiliste omaduste mõningast uudishimulikku manipuleerimist, nii et jääb üle vaadata, kui praktiline see on.

Kahjuks on selle efekti praegune intensiivsus selline, et meil pole pikka aega lendavaid autosid. Samuti töötab see ainult tugeva magnetvälja kohal, mis tähendab, et meil oleks vaja ehitada uued magnetraja teed. Aasias on juba lisaks tavapärastele elektromagnetilistele levitatsioonirongidele (maglev) seda protsessi ka magnetilise levitatsioonirong.

Veel üks kasulik rakendus on tõeliselt hõõrdetu laagrite loomine. Laager oleks võimeline pöörlema, kuid see ripuks ilma otsese füüsilise kokkupuuteta ümbritseva korpusega, nii et hõõrdumist ei tekiks. Selle jaoks on kindlasti mõned tööstuslikud rakendused ja me hoiame silmad lahti, kui nad uudiseid saavad.

Kui YouTube'i algne video sai televisioonis palju mängida, siis tõelise kvantlevitatsiooni üks varasemaid populaarse kultuuri esinemisi oli 9. novembri episood Stephen Colbert Colberti aruanne, Komöödia Kesk satiiriline poliitiline punditunne. Colbert tõi teadlase Dr. Matthew C. Sullivan Ithaca kolledži füüsikaosakonnast. Colbert selgitas oma publikule kvantlevitatsiooni taga olevat teadust sel viisil:

Nagu ma olen kindel, teate, viitab kvantlevitatsioon nähtusele, mille kohaselt magnetilise voo jooned läbi II tüübi ülijuhi voolav on kinnitatud oma kohale vaatamata toimivatele elektromagnetilistele jõududele nende peale. Ma sain sellest teada Snapple korgi seest. Seejärel asus ta levitama oma Stephen Colberti Americone Dreami jäätisemaitse minitopsi. Ta suutis seda teha, kuna nad olid paigutanud ülijuhi ketta jäätisetopsiku põhja. (Vabandust, et kummitusest loobusin, Colbert. Tänu dr Sullivanile, kes rääkis meile selle artikli taga olevast teadusest!)