Kuantum Levitasyonunun İşleyişi

İnternetteki bazı videolar "kuantum havaya yükselme" adı verilen bir şey gösteriyor. Bu nedir? O nasıl çalışır? Uçan arabalara sahip olabilir miyiz?

Kuantum levitasyonunun adı, bilim adamlarının özelliklerini kullandığı bir süreçtir. kuantum fiziği bir nesneyi havaya kaldırmak (özellikle süper iletken) üzerinde manyetik kaynak (özellikle bu amaç için tasarlanmış bir kuantum kaldırma yolu).

Bunun çalışmasının nedeni, Meissner etkisi ve manyetik akı sabitleme. Meissner etkisi, manyetik alandaki bir süperiletkenin daima içindeki manyetik alanı dışarı atacağını ve böylece çevresindeki manyetik alanı bükeceğini belirler. Sorun bir denge meselesidir. Bir mıknatısın üstüne bir süper iletken yerleştirdiyseniz, süper iletken sadece yüzer mıknatıs, çubuk mıknatısların her birine karşı iki güney manyetik kutupunu dengelemeye çalışıyor gibi diğer.

Kuantum havaya yükselme süreci, Tel Aviv Üniversitesi süperiletken grubu tarafından şu şekilde açıklandığı gibi, akı sabitleme veya kuantum kilitleme işlemi ile çok daha ilgi çekici hale gelir:

Süperiletkenlik ve manyetik alan birbirini sevmez. Mümkün olduğunda, süperiletken tüm manyetik alanı içeriden atar. Bu Meissner etkisidir. Bizim durumumuzda, süperiletken aşırı derecede ince olduğundan manyetik alan nüfuz eder. Bununla birlikte, bunu ayrı miktarlarda yapar (bu kuantum fiziği hepsinden sonra! ) akı tüpleri olarak adlandırılır. Her manyetik akı tüpünün içinde süperiletkenlik yerel olarak yok edilir. Süperiletken manyetik tüpleri zayıf alanlarda (örn. Tane sınırları) tutturmaya çalışacaktır. Süperiletkenin herhangi bir uzamsal hareketi, akı tüplerinin hareket etmesine neden olacaktır. Süperiletkenin havada "sıkışmış" kalmasını önlemek için. "Kuantum havaya yükselme" ve "kuantum kilitleme" terimleri bu süreçte bu alanda önde gelen araştırmacılardan biri olan Tel Aviv Üniversitesi fizikçi Guy Deutscher tarafından üretildi.

Bir süperiletkenin gerçekte ne olduğunu düşünelim: elektronların çok kolay akabildiği bir malzeme. Elektronlar dirençsiz süperiletkenlerden akarlar, böylece manyetik alanlar bir süperiletken malzeme, süperiletken yüzeyinde küçük akımlar oluşturur ve gelenleri iptal eder manyetik alan. Sonuç, süperiletken yüzeyinin içindeki manyetik alan yoğunluğunun tam olarak sıfır olmasıdır. Net manyetik alan çizgilerini eşlediyseniz, nesnenin etrafında eğildiklerini gösterecektir.

Peki bu nasıl havaya yükseliyor?

Bir süperiletken manyetik bir iz üzerine yerleştirildiğinde, etki süperiletkenin kalmasıdır pistin üstünde, esasen pistteki güçlü manyetik alan tarafından itiliyor yüzey. Tabii ki, manyetik itme gücünün gücüne karşı koymak zorunda olduğu için pistin ne kadar uzağa itilebileceğine dair bir sınır var. Yerçekimi.

Tip I süperiletken bir disk, Meissner efektini en uç versiyonunda gösterecektir, "mükemmel diyamanyetizma" denir ve içinde manyetik alan içermez. malzeme. Manyetik alanla herhangi bir temastan kaçınmaya çalıştıkça havalanacaktır. Bununla ilgili sorun, havaya yükselmenin sabit olmamasıdır. Havaya yükselen nesne normalde yerinde kalmaz. (Bu aynı işlem, manyetizmanın her yönden eşit olarak ittiği içbükey, çanak şeklindeki bir kurşun mıknatıs içinde süperiletkenleri kaldırabilir.)

Yararlı olabilmek için levitasyonun biraz daha kararlı olması gerekir. Kuantum kilitleme burada devreye girer.

Kuantum kilitleme işleminin anahtar öğelerinden biri, "vorteks" adı verilen bu akı tüplerinin varlığıdır. Bir süperiletken çok inceyse veya süperiletken bir tip II süperiletkense, manyetik alanın bir kısmının süperiletkene girmesine izin vermek için süperiletkene daha az enerji harcar. Bu nedenle akı girdapları, manyetik alanın gerçekte süperiletkenden "kayabileceği" bölgelerde oluşur.

Yukarıdaki Tel Aviv ekibi tarafından açıklanan durumda, bir gofret yüzeyi üzerinde özel bir ince seramik film üretebildiler. Soğutulduğunda, bu seramik malzeme bir tip II süperiletkendir. Çok ince olduğu için sergilenen diyamanyetizma mükemmel değil... malzemeden geçen bu akı girdaplarının yaratılmasına izin verir.

Akı girdapları, süperiletken malzeme çok ince olmasa bile, tip II süperiletkenlerde de oluşabilir. Tip II süperiletken, "gelişmiş akı sabitleme" adı verilen bu etkiyi arttırmak için tasarlanabilir.

Alan bir akı tüpü şeklinde süperiletkene nüfuz ettiğinde, esasen bu dar bölgedeki süperiletkeni kapatır. Her bir tüpü süperiletkenin ortasında küçük bir süperiletken olmayan bölge olarak hayal edin. Süperiletken hareket ederse, akı girdapları hareket edecektir. Yine de iki şeyi hatırlayın:

1. akı girdapları manyetik alanlardır
2. süperiletken manyetik alanlara karşı akımlar oluşturacaktır (yani Meissner etkisi)

Çok süperiletken malzemenin kendisi manyetik alanla ilgili her türlü hareketi engellemek için bir kuvvet yaratacaktır. Örneğin süper iletkeni yatırırsanız, o pozisyona "kilitleyecek" veya "yakalayacaktır". Aynı eğim açısına sahip bir parkurun etrafından dolanır. Bu süreç süperiletkenin yerine kilitlenmesi yükseklik ve yönelim, istenmeyen yalpalamaları azaltır (ve Tel Aviv Üniversitesi tarafından gösterildiği gibi görsel olarak da etkileyicidir).

Süper iletkeni manyetik alan içine yönlendirebilirsiniz, çünkü eliniz alanın uyguladığından çok daha fazla güç ve enerji uygulayabilir.

Yukarıda tarif edilen kuantum kaldırma işlemi, manyetik itmeye dayanır, ancak bazıları Casimir etkisine dayanarak önerilen başka kuantum kaldırma yöntemleri de vardır. Yine, bu, malzemenin elektromanyetik özelliklerinin biraz meraklı manipülasyonunu içerir, bu nedenle ne kadar pratik olduğu görülmeye devam etmektedir.

Ne yazık ki, bu etkinin mevcut yoğunluğu öyle ki, bir süredir uçan arabalara sahip olmayacağız. Ayrıca, sadece güçlü bir manyetik alan üzerinde çalışır, yani yeni manyetik iz yolları inşa etmemiz gerekir. Bununla birlikte, Asya'da, daha geleneksel elektromanyetik kaldırma (maglev) trenlerine ek olarak, bu işlemi kullanan manyetik kaldırma trenleri zaten var.

Bir başka kullanışlı uygulama, gerçekten sürtünmesiz yatakların oluşturulmasıdır. Yatak dönebilir, ancak herhangi bir sürtünme olmayacak şekilde çevredeki mahfaza ile doğrudan fiziksel temas olmadan askıya alınacaktır. Bunun için kesinlikle bazı endüstriyel uygulamalar olacak ve haberleri vurduklarında gözlerimizi açık tutacağız.

İlk YouTube videosu televizyonda çok oynatılırken, gerçek kuantum havalanmanın en erken popüler kültür görünümlerinden biri, 9 Kasım Stephen Colbert'in Colbert Raporu, Komedi Merkezi hiciv siyasi pundit gösterisi. Colbert bilim adamı Dr. Matthew C. Sullivan Ithaca Koleji fizik bölümünden. Colbert izleyicilerine kuantum havalanmasının arkasındaki bilimi şu şekilde açıkladı:

Bildiğim gibi, kuantum levitasyonunun manyetik akı çizgilerinin tip II süperiletkenlerden akan elektromanyetik kuvvetlere rağmen yerinde sabitlenir onlara. Bunu bir Snapple kapağının içinden öğrendim. Daha sonra Stephen Colbert'in Americone Dream dondurma lezzetinin mini bir fincanını havaya kaldırmaya devam etti. Bunu yapabildi çünkü dondurma kabının altına bir süperiletken disk yerleştirmişlerdi. (Hayaletten vazgeçtiğim için üzgünüm, Colbert. Dr. Sullivan'a bu makalenin arkasındaki bilim hakkında bizimle konuştuğu için teşekkürler!)