Cum funcționează levitația cuantică

Unele videoclipuri de pe internet arată ceva numit „levitație cuantică”. Ce este asta? Cum functioneazã? Vom putea să avem mașini zburătoare?

Levitația cuantică așa cum este numită este un proces în care oamenii de știință utilizează proprietățile fizică cuantică a levita un obiect (în special, a supraconductor) peste sursa magnetica (în special o cale de levitație cuantică proiectată în acest scop).

Motivul pentru care funcționează este ceva numit Efectul Meissner și fixarea fluxului magnetic. Efectul Meissner dictează că un superconductor într-un câmp magnetic va expulza întotdeauna câmpul magnetic din interiorul său și astfel va îndoi câmpul magnetic din jurul său. Problema este o problemă de echilibru. Dacă ați așeza un superconductor deasupra unui magnet, atunci superconductorul ar pluti magnetul, ca și cum ar încerca să echilibreze doi poli magnetici sudici ai magneților de bare cu fiecare alte.

Procesul de levitare cuantică devine mult mai interesant prin procesul de fixare a fluxului sau de blocare cuantică, așa cum este descris de grupul de superconductori al Universității Tel Aviv în acest fel:

Superconductivitatea și câmpul magnetic [sic] nu se plac reciproc. Când este posibil, superconductorul va expulza tot din interior câmpul magnetic. Acesta este efectul Meissner. În cazul nostru, deoarece superconductorul este extrem de subțire, câmpul magnetic DO Pătrunde. Cu toate acestea, face acest lucru în cantități discrete (aceasta este fizică cuantică dupa toate acestea! ) numite tuburi de flux. În interiorul fiecărui tub cu flux magnetic, supraconductivitatea este distrusă local. Superconductorul va încerca să mențină tuburile magnetice fixate în zone slabe (de exemplu, granițele de cereale). Orice mișcare spațială a superconductorului va determina mișcarea tuburilor de flux. Pentru a preveni ca supraconductorul să rămână „prins” în aer. Termenii „levitație cuantică” și „blocarea cuantică” au fost inventați pentru acest proces de către fizicianul Universității Tel Aviv, Guy Deutscher, unul dintre cercetătorii principali în acest domeniu.

Să ne gândim ce este cu adevărat un superconductor: este un material în care electronii sunt capabili să curgă foarte ușor. Electronii circulă prin superconductori fără rezistență, astfel încât atunci când câmpurile magnetice se apropie de a materialul supraconductor, supraconductorul formează curenți mici pe suprafața sa, anulând intrarea camp magnetic. Rezultatul este că intensitatea câmpului magnetic din interiorul suprafeței superconductorului este exact zero. Dacă ați mapat liniile de câmp magnetic net, va arăta că acestea se apleacă în jurul obiectului.

Dar cum face acest lucru să leviteze?

Când un superconductor este plasat pe o pistă magnetică, efectul este că supraconductorul rămâne deasupra pistei, fiind în esență împins departe de câmpul magnetic puternic chiar de pe pista suprafaţă. Există o limită la cât de mult deasupra pistei poate fi împinsă, desigur, deoarece puterea repulsiei magnetice trebuie să contracareze forța gravitatie.

Un disc de superconductor de tip I va demonstra efectul Meissner în cea mai extremă versiune, care se numește „diamagnetism perfect” și nu va conține câmpuri magnetice în interiorul material. Va levita, deoarece încearcă să evite orice contact cu câmpul magnetic. Problema cu aceasta este că levitația nu este stabilă. Obiectul levitativ nu va rămâne în mod normal. (Acest același procedeu a fost capabil să leviteze supraconductorii în interiorul unui magnet de plumb concave, în formă de bol, în care magnetismul împinge în mod egal pe toate părțile.)

Pentru a fi utile, levitația trebuie să fie ceva mai stabilă. Acolo intră în joc blocarea cuantică.

Unul dintre elementele cheie ale procesului de blocare cuantică este existența acestor tuburi de flux, numite „vortex”. Dacă un superconductor este foarte subțire sau dacă superconductorul este un superconductor de tip II, costă superconductorului mai puțină energie pentru a permite o parte din câmpul magnetic să pătrundă în superconductor. De aceea, formează vortexurile de flux, în regiunile în care câmpul magnetic este capabil, de fapt, să „alunece” prin superconductor.

În cazul descris de echipa Tel Aviv de mai sus, au putut să crească o peliculă ceramică specială subțire pe suprafața unei placi. Când este răcit, acest material ceramic este un superconductor de tip II. Deoarece este atât de subțire, diamagnetismul expus nu este perfect... permițând crearea acestor vârtejuri de flux care trec prin material.

Vorticele de flux se pot forma și în superconductori de tip II, chiar dacă materialul supraconductor nu este chiar atât de subțire. Superconductorul de tip II poate fi proiectat pentru a îmbunătăți acest efect, numit „fixarea fluxurilor îmbunătățite”.

Atunci când câmpul pătrunde în supraconductor sub forma unui tub de flux, acesta se oprește în esență superconductorul în acea regiune îngustă. Imaginează fiecare tub ca pe o regiune minusculă non-supraconductor în mijlocul superconductorului. Dacă superconductorul se mișcă, vârtejurile de flux se vor mișca. Amintiți-vă însă două lucruri:

1. vârtejurile de flux sunt câmpuri magnetice
2. superconductorul va crea curenți pentru a contracara câmpurile magnetice (adică efectul Meissner)

Materialul foarte superconductor în sine va crea o forță de a inhiba orice fel de mișcare în raport cu câmpul magnetic. Dacă înclinați superconductorul, de exemplu, îl veți „bloca” sau „captura” în acea poziție. Va parcurge o pistă întreagă cu același unghi de înclinare. Acest proces de blocarea superconductorului în loc prin înălțime și orientare, reduce orice ondulare nedorită (și este, de asemenea, impresionant din punct de vedere vizual, după cum arată Universitatea Tel Aviv.)

Puteți reorienta superconductorul în câmpul magnetic, deoarece mâna dvs. poate aplica mult mai multă forță și energie decât ceea ce câmpul exercită.

Procesul de levitație cuantică descris mai sus se bazează pe repulsie magnetică, dar există și alte metode de levitație cuantică care au fost propuse, inclusiv unele bazate pe efectul Casimir. Din nou, aceasta implică o manipulare curioasă a proprietăților electromagnetice ale materialului, deci rămâne de văzut cât de practic este.

Din păcate, intensitatea actuală a acestui efect este de așa natură încât nu vom mai avea mașini zburătoare destul de mult timp. De asemenea, funcționează doar pe un câmp magnetic puternic, ceea ce înseamnă că ar trebui să construim noi șosele magnetice. Cu toate acestea, există deja trenuri de levitație magnetică în Asia care folosesc acest proces, pe lângă trenurile de levitație electromagnetică (maglev) mai tradiționale.

O altă aplicație utilă este crearea de rulmenți cu adevărat fără frecare. Rulmentul ar putea să se rotească, dar ar fi suspendat fără contact fizic direct cu carcasa din jur, astfel încât să nu existe fricțiuni. Cu siguranță vor exista câteva aplicații industriale în acest sens și vom ține ochii deschiși pentru momentul în care vor ajunge la știri.

În timp ce videoclipul inițial YouTube a jucat foarte mult la televizor, una dintre cele mai vechi apariții în cultura populară a levitației cuantice reale a fost la episodul din 9 noiembrie al lui Stephen Colbert Raportul Colbert, un spectacol de pundit politic satiric Comedy Central. Colbert l-a adus pe omul de știință Dr. Matei C. Sullivan de la departamentul de fizică al Colegiului Ithaca. Colbert a explicat publicului său știința din spatele levitației cuantice în acest fel:

După cum știu sigur, levitația cuantică se referă la fenomenul prin care liniile de flux magnetic care circulă printr-un superconductor de tip II sunt fixate pe loc, în ciuda forțelor electromagnetice care acționează peste ei. Am aflat asta din interiorul unui capac Snapple. Apoi a procedat să leviteze o mini ceașcă din aroma de înghețată a lui Americone Dream a lui Stephen Colbert. El a fost capabil să facă acest lucru pentru că au plasat un disc superconductor în partea de jos a cupei de înghețată. (Îmi pare rău că renunți la fantomă, Colbert. Mulțumesc Dr. Sullivan că a vorbit cu noi despre știința din spatele acestui articol!)