Wie Quantenschwebung funktioniert

Einige Videos im Internet zeigen etwas, das als "Quantenschwebung" bezeichnet wird. Was ist das? Wie funktioniert es? Werden wir fliegende Autos haben können?

Die sogenannte Quantenschwebung ist ein Prozess, bei dem Wissenschaftler die Eigenschaften von nutzen Quantenphysik ein Objekt schweben lassen (insbesondere a Supraleiter) über ein magnetische Quelle (speziell eine Quantenschwebespur, die für diesen Zweck entwickelt wurde).

Der Grund, warum dies funktioniert, ist der sogenannte Meißner-Effekt und Magnetfluss-Pinning. Der Meißner-Effekt schreibt vor, dass ein Supraleiter in einem Magnetfeld immer das darin enthaltene Magnetfeld ausstößt und so das Magnetfeld um ihn herum biegt. Das Problem ist eine Frage des Gleichgewichts. Wenn Sie nur einen Supraleiter auf einen Magneten legen, schwimmt der Supraleiter einfach ab Der Magnet ähnelt dem Versuch, zwei südmagnetische Pole von Stabmagneten gegeneinander auszubalancieren andere.

Der Quantenschwebungsprozess wird durch den Prozess des Fluss-Pinning oder der Quantenverriegelung, wie er von der Supraleitergruppe der Universität Tel Aviv auf folgende Weise beschrieben wird, weitaus faszinierender:

Supraleitung und Magnetfeld mögen sich nicht. Wenn möglich, stößt der Supraleiter das gesamte Magnetfeld von innen aus. Dies ist der Meißner-Effekt. In unserem Fall dringt das Magnetfeld DOES ein, da der Supraleiter extrem dünn ist. Dies geschieht jedoch in diskreten Mengen (dies ist Quantenphysik Letztendlich! ) Flussmittelröhren genannt. In jedem Magnetflussrohr wird die Supraleitung lokal zerstört. Der Supraleiter wird versuchen, die Magnetröhren in schwachen Bereichen (z. B. Korngrenzen) festzuhalten. Jede räumliche Bewegung des Supraleiters führt dazu, dass sich die Flussröhren bewegen. Um zu verhindern, dass der Supraleiter in der Luft "gefangen" bleibt. Die Begriffe "Quantenschwebung" und "Quantenverriegelung" wurden für diesen Prozess vom Physiker Guy Deutscher von der Universität Tel Aviv geprägt, einem der führenden Forscher auf diesem Gebiet.

Lassen Sie uns darüber nachdenken, was ein Supraleiter wirklich ist: Es ist ein Material, in dem Elektronen sehr leicht fließen können. Elektronen fließen ohne Widerstand durch Supraleiter, so dass sich Magnetfelder a nähern supraleitendes Material, der Supraleiter bildet auf seiner Oberfläche kleine Ströme, die den Eingang ausgleichen Magnetfeld. Das Ergebnis ist, dass die Magnetfeldstärke innerhalb der Oberfläche des Supraleiters genau Null ist. Wenn Sie die Nettomagnetfeldlinien abbilden, wird angezeigt, dass sie sich um das Objekt biegen.

Aber wie schwebt es dadurch?

Wenn ein Supraleiter auf eine Magnetspur gelegt wird, bleibt der Supraleiter erhalten über der Spur, im Wesentlichen durch das starke Magnetfeld direkt an der Spur weggeschoben Oberfläche. Es gibt natürlich eine Grenze, wie weit es über die Spur geschoben werden kann, da die Kraft der magnetischen Abstoßung der Kraft von entgegenwirken muss Schwere.

Eine Scheibe eines Typ-I-Supraleiters zeigt den Meissner-Effekt in seiner extremsten Version. Dies wird als "perfekter Diamagnetismus" bezeichnet und enthält keine Magnetfelder innerhalb des Material. Es wird schweben, da es versucht, jeglichen Kontakt mit dem Magnetfeld zu vermeiden. Das Problem dabei ist, dass die Levitation nicht stabil ist. Das schwebende Objekt bleibt normalerweise nicht an Ort und Stelle. (Mit demselben Verfahren konnten Supraleiter in einem konkaven, schalenförmigen Bleimagneten schweben, in dem der Magnetismus nach allen Seiten gleichmäßig drückt.)

Um nützlich zu sein, muss die Levitation etwas stabiler sein. Hier kommt die Quantenverriegelung ins Spiel.

Eines der Schlüsselelemente des Quantenverriegelungsprozesses ist die Existenz dieser Flussröhren, die als "Wirbel" bezeichnet werden. Wenn ein Supraleiter sehr dünn ist oder wenn der Supraleiter ein Typ II-Supraleiter ist, kostet es den Supraleiter weniger Energie, damit ein Teil des Magnetfelds in den Supraleiter eindringen kann. Deshalb bilden sich die Flusswirbel in Bereichen, in denen das Magnetfeld tatsächlich durch den Supraleiter "gleiten" kann.

In dem oben vom Tel Aviv-Team beschriebenen Fall konnten sie einen speziellen dünnen Keramikfilm über die Oberfläche eines Wafers ziehen. Beim Abkühlen ist dieses Keramikmaterial ein Typ II-Supraleiter. Weil es so dünn ist, ist der gezeigte Diamagnetismus nicht perfekt... Dies ermöglicht die Erzeugung dieser Flusswirbel, die durch das Material laufen.

Flusswirbel können sich auch in Typ-II-Supraleitern bilden, selbst wenn das Supraleitermaterial nicht ganz so dünn ist. Der Typ-II-Supraleiter kann so ausgelegt werden, dass er diesen Effekt verstärkt, der als "Enhanced Flux Pinning" bezeichnet wird.

Wenn das Feld in Form einer Flussröhre in den Supraleiter eindringt, schaltet es den Supraleiter in diesem engen Bereich im Wesentlichen aus. Stellen Sie sich jede Röhre als einen winzigen Nicht-Supraleiter-Bereich in der Mitte des Supraleiters vor. Wenn sich der Supraleiter bewegt, bewegen sich die Flusswirbel. Denken Sie jedoch an zwei Dinge:

1. Die Flusswirbel sind Magnetfelder
2. Der Supraleiter erzeugt Ströme, um Magnetfeldern entgegenzuwirken (d. h. dem Meißner-Effekt).

Das Supraleitermaterial selbst erzeugt eine Kraft, die jede Art von Bewegung in Bezug auf das Magnetfeld hemmt. Wenn Sie beispielsweise den Supraleiter kippen, "verriegeln" oder "fangen" Sie ihn in diese Position. Es wird eine ganze Strecke mit dem gleichen Neigungswinkel umrunden. Dieser Prozess von Verriegeln des Supraleiters Durch Höhe und Ausrichtung wird unerwünschtes Wackeln reduziert (und es ist auch optisch beeindruckend, wie die Universität Tel Aviv zeigt).

Sie können den Supraleiter innerhalb des Magnetfelds neu ausrichten, da Ihre Hand viel mehr Kraft und Energie aufbringen kann als das, was das Feld ausübt.

Der oben beschriebene Prozess der Quantenschwebung basiert auf magnetischer Abstoßung, es wurden jedoch auch andere Methoden der Quantenschwebung vorgeschlagen, einschließlich einiger auf dem Casimir-Effekt basierender. Dies beinhaltet wiederum eine merkwürdige Manipulation der elektromagnetischen Eigenschaften des Materials, so dass abzuwarten bleibt, wie praktisch es ist.

Leider ist die aktuelle Intensität dieses Effekts so hoch, dass wir für einige Zeit keine fliegenden Autos haben werden. Außerdem funktioniert es nur über ein starkes Magnetfeld, was bedeutet, dass wir neue Magnetspurstraßen bauen müssten. In Asien gibt es jedoch bereits Magnetschwebebahnen, die dieses Verfahren anwenden, zusätzlich zu den traditionelleren elektromagnetischen Schwebezügen (Magnetschwebebahnen).

Eine weitere nützliche Anwendung ist die Schaffung wirklich reibungsfreier Lager. Das Lager könnte sich drehen, würde jedoch ohne direkten physischen Kontakt mit dem umgebenden Gehäuse aufgehängt, so dass keine Reibung auftritt. Es wird sicherlich einige industrielle Anwendungen dafür geben, und wir werden unsere Augen offen halten, wenn sie in die Nachrichten kommen.

Während das erste YouTube-Video im Fernsehen viel Aufsehen erregte, war einer der frühesten popkulturellen Auftritte einer echten Quantenschwebung die Folge von Stephen Colbert vom 9. November Der Colbert-Bericht, eine satirische politische Experten-Show von Comedy Central. Colbert brachte den Wissenschaftler Dr. Matthew C. Sullivan von der Physikabteilung des Ithaca College. Colbert erklärte seinem Publikum die Wissenschaft hinter der Quantenschwebung folgendermaßen:

Wie Sie sicher wissen, bezieht sich die Quantenschwebung auf das Phänomen, bei dem die magnetischen Flusslinien auftreten Durch einen Supraleiter vom Typ II fließende Teile sind trotz der einwirkenden elektromagnetischen Kräfte fixiert über ihnen. Das habe ich von der Innenseite einer Schnappkappe gelernt. Anschließend schwebte er eine kleine Tasse seines Americone Dream-Eisgeschmacks von Stephen Colbert. Er konnte dies tun, weil sie eine Supraleiterscheibe in den Boden des Eisbechers gelegt hatten. (Tut mir leid, den Geist aufzugeben, Colbert. Vielen Dank an Dr. Sullivan für das Gespräch mit uns über die Wissenschaft hinter diesem Artikel!)