Hoe Quantum Levitatie werkt

Sommige video's op internet laten iets zien dat 'kwantum levitatie' wordt genoemd. Wat is dit? Hoe werkt het? Zullen we vliegende auto's kunnen hebben?

Quantum levitatie zoals het wordt genoemd, is een proces waarbij wetenschappers de eigenschappen van de kwantumfysica gebruiken om een ​​object (met name een supergeleider) over een magnetische bron (specifiek een voor dit doel ontworpen kwantum levitatie spoor) te laten zweven..

De wetenschap van kwantum levitatie

De reden dat dit werkt is iets dat het Meissner-effect en magnetische fluxpinning wordt genoemd. Het Meissner-effect dicteert dat een supergeleider in een magnetisch veld het magnetische veld binnenin altijd zal verdrijven en dus het magnetische veld eromheen buigt. Het probleem is een kwestie van evenwicht. Als je net een supergeleider op een magneet hebt geplaatst, dan zweeft de supergeleider gewoon van de magneet, ongeveer zoals het proberen om twee zuidmagneetpolen van staafmagneten tegen elkaar te balanceren.

Het kwantumlevitatieproces wordt veel intrigerend door het proces van fluxpinning of quantum-vergrendeling, zoals op deze manier beschreven door de supergeleidergroep van de Universiteit van Tel Aviv:

Supergeleiding en magnetisch veld [sic] houden niet van elkaar. Indien mogelijk zal de supergeleider alle magnetische velden van binnenuit verdrijven. Dit is het Meissner-effect. Omdat in ons geval de supergeleider extreem dun is, dringt het magnetische veld wel binnen. Het doet dit echter in discrete hoeveelheden (dit is immers kwantumfysica!), Fluxbuizen genoemd. Binnen elke magnetische fluxbuis wordt supergeleiding lokaal vernietigd. De supergeleider probeert de magnetische buizen vast te houden in zwakke gebieden (bijv. Korrelgrenzen). Elke ruimtelijke beweging van de supergeleider zal ervoor zorgen dat de fluxbuizen bewegen. Om te voorkomen dat de supergeleider in de lucht "gevangen" blijft. De termen "kwantum levitatie" en "kwantumvergrendeling" werden voor dit proces bedacht door de fysicus Guy Deutscher van de universiteit van Tel Aviv, een van de vooraanstaande onderzoekers op dit gebied.

Het Meissner-effect

Laten we eens nadenken over wat een supergeleider echt is: het is een materiaal waarin elektronen heel gemakkelijk kunnen stromen. Elektronen stromen door supergeleiders zonder weerstand, zodat wanneer magnetische velden in de buurt van een supergeleidend materiaal komen, de supergeleider kleine stromen op het oppervlak vormt, waardoor het binnenkomende magnetische veld wordt opgeheven. Het resultaat is dat de magnetische veldintensiteit in het oppervlak van de supergeleider precies nul is. Als u de netto magnetische veldlijnen in kaart zou brengen, zou dit laten zien dat ze rond het object buigen.

Maar hoe maakt dit het zweven?

Wanneer een supergeleider op een magnetisch spoor wordt geplaatst, is het effect dat de supergeleider boven het spoor blijft en in wezen door het sterke magnetische veld direct aan het oppervlak van het spoor wordt weggeduwd. Er is natuurlijk een limiet aan hoe ver boven het spoor het kan worden geduwd, omdat de kracht van de magnetische afstoting de zwaartekracht moet tegengaan.

Een schijf van een type-I supergeleider zal het Meissner-effect demonstreren in zijn meest extreme versie, die "perfect diamagnetisme" wordt genoemd, en zal geen magnetische velden in het materiaal bevatten. Het zal zweven, omdat het elk contact met het magnetische veld probeert te vermijden. Het probleem hiermee is dat de levitatie niet stabiel is. Het zwevende object blijft normaal niet op zijn plaats. (Dit zelfde proces heeft supergeleiders kunnen laten zweven binnen een concave, komvormige loodmagneet, waarbij het magnetisme aan alle kanten gelijkmatig duwt.)

Om nuttig te zijn, moet de levitatie een beetje stabieler zijn. Dat is waar quantum-vergrendeling een rol speelt.

Flux Buizen

Een van de belangrijkste elementen van het quantum-vergrendelingsproces is het bestaan ​​van deze fluxbuizen, een "vortex" genoemd. Als een supergeleider erg dun is, of als de supergeleider een type-II supergeleider is, kost het de supergeleider minder energie om een ​​deel van het magnetische veld in de supergeleider te laten doordringen. Dat is de reden waarom de fluxwervelingen zich vormen in gebieden waar het magnetische veld in feite door de supergeleider kan "glijden".

In het geval dat hierboven door het team van Tel Aviv is beschreven, konden ze een speciale dunne keramische film over het oppervlak van een wafer laten groeien. Na afkoeling is dit keramische materiaal een type-II supergeleider. Omdat het zo dun is, is het getoonde diamagnetisme niet perfect ... waardoor deze fluxwervelingen door het materiaal kunnen worden gecreëerd.

Fluxwervelingen kunnen zich ook vormen in type-II supergeleiders, zelfs als het supergeleidermateriaal niet zo dun is. De type-II supergeleider kan worden ontworpen om dit effect te verbeteren, "verbeterde fluxpinning" genoemd.

Quantum Locking

Wanneer het veld de supergeleider binnendringt in de vorm van een fluxbuis, schakelt het in wezen de supergeleider in dat smalle gebied uit. Stel je elke buis voor als een klein niet-supergeleidergebied in het midden van de supergeleider. Als de supergeleider beweegt, zullen de fluxwervelingen bewegen. Onthoud echter twee dingen:

1. de fluxwervelingen zijn magnetische velden
2. de supergeleider zal stromen creëren om magnetische velden tegen te gaan (d.w.z. het Meissner-effect)

Het zeer supergeleidende materiaal zelf zal een kracht creëren om elke vorm van beweging met betrekking tot het magnetische veld te remmen. Als u de supergeleider bijvoorbeeld kantelt, "vergrendelt" of "vergrendelt" u deze in die positie. Het gaat over een hele baan met dezelfde kantelhoek. Dit proces van het op zijn plaats vergrendelen van de supergeleider door hoogte en oriëntatie vermindert ongewenste schommelingen (en is ook visueel indrukwekkend, zoals aangetoond door de Universiteit van Tel Aviv.)

Je bent in staat om de supergeleider binnen het magnetische veld te heroriënteren omdat je hand veel meer kracht en energie kan uitoefenen dan wat het veld uitoefent.

Andere soorten kwantitatieve levitatie

Het hierboven beschreven proces van kwantumlevitatie is gebaseerd op magnetische afstoting, maar er zijn andere methoden voor kwantumlevitatie voorgesteld, waaronder enkele op basis van het Casimir-effect. Nogmaals, dit omvat een merkwaardige manipulatie van de elektromagnetische eigenschappen van het materiaal, dus het valt nog te bezien hoe praktisch het is.

De toekomst van kwantum levitatie

Helaas is de huidige intensiteit van dit effect zodanig dat we nog een hele tijd geen vliegende auto's zullen hebben. Het werkt ook alleen over een sterk magnetisch veld, wat betekent dat we nieuwe magnetische spoorwegen moeten aanleggen. Er zijn echter al magnetische levitatietreinen in Azië die dit proces gebruiken, naast de meer traditionele elektromagnetische levitatietreinen (maglev).

Een andere nuttige toepassing is het creëren van echt wrijvingsloze lagers. Het lager zou kunnen roteren, maar het zou worden opgehangen zonder direct fysiek contact met de omringende behuizing, zodat er geen wrijving zou zijn. Daar zullen zeker industriële toepassingen voor zijn, en we houden onze ogen open voor wanneer ze het nieuws raken.

Kwantum Levitatie in populaire cultuur

Hoewel de eerste YouTube-video veel op televisie werd gespeeld, was een van de eerste populaire culturele verschijningen van echte kwantumlevitatie in de aflevering van 9 november van Stephen Colbert's Het Colbert-rapport, een comedy Central satirische politieke expert show. Colbert bracht wetenschapper Dr. Matthew C. Sullivan van de fysica-afdeling van het Ithaca College. Colbert legde zijn publiek de wetenschap achter kwantum levitatie op deze manier uit:

Zoals je zeker weet, verwijst kwantum levitatie naar het fenomeen waarbij de magnetische fluxlijnen die door een type-II supergeleider stromen vastgezet zijn ondanks de elektromagnetische krachten die erop werken. Ik hoorde dat aan de binnenkant van een Snapple-dop en ging toen over tot een mini-kopje levitatie van zijn Stephen Colbert's Americone Dream ijssmaak. Hij was in staat dit te doen omdat ze een supergeleiderschijf in de bodem van de ijsbeker hadden geplaatst. (Sorry dat ik de geest heb opgegeven, Colbert. Dank aan Dr. Sullivan voor het spreken met ons over de wetenschap achter dit artikel!)