Wie Quantenlevitation funktioniert
Quantenschwebebahn kann Objekte schweben und fliegen lassen
Magnetschwebebahnen, wie diese in Shanhgai, China, fliegen oder schweben aufgrund des Magnetfelds.
Yaorusheng/Getty Images
Einige Videos im Internet zeigen etwas, das als „Quantenschwebebahn“ bezeichnet wird. Was ist das? Wie funktioniert es? Werden wir fliegende Autos haben können?
Quantenlevitation, wie sie genannt wird, ist ein Prozess, bei dem Wissenschaftler die Eigenschaften von nutzen Quantenphysik ein Objekt schweben lassen (insbesondere a Supraleiter ) über ein magnetische Quelle (insbesondere eine für diesen Zweck entwickelte Quantenschwebebahn).
Die Wissenschaft der Quantenlevitation
Der Grund, warum dies funktioniert, ist etwas namens Meissner-Effekt und Magnetfluss-Pinning. Der Meissner-Effekt schreibt vor, dass ein Supraleiter in einem Magnetfeld immer das darin enthaltene Magnetfeld ausstößt und somit das Magnetfeld um ihn herum krümmt. Das Problem ist eine Frage des Gleichgewichts. Wenn Sie einfach einen Supraleiter auf einen Magneten legen würden, würde der Supraleiter einfach vom Magneten schweben, ähnlich wie der Versuch, zwei magnetische Südpole von Stabmagneten gegeneinander auszugleichen.
Der Quantenschwebeprozess wird weitaus faszinierender durch den Prozess des Flux-Pinning oder Quanten-Locking, wie er von der Supraleitergruppe der Universität Tel Aviv folgendermaßen beschrieben wird:
Supraleitung und Magnetfeld mögen sich nicht. Wenn möglich, wird der Supraleiter das gesamte Magnetfeld von innen heraus stoßen. Das ist der Meissner-Effekt. Da der Supraleiter in unserem Fall extrem dünn ist, dringt das Magnetfeld DURCH. Allerdings tut es das in diskreten Mengen (das ist Quantenphysik schließlich! ) Flussröhren genannt. In jeder magnetischen Flussröhre wird die Supraleitung lokal zerstört. Der Supraleiter wird versuchen, die Magnetröhren in schwachen Bereichen (z. B. Korngrenzen) festgehalten zu halten. Jede räumliche Bewegung des Supraleiters bewirkt eine Bewegung der Flussröhren. Um zu verhindern, dass der Supraleiter in der Luft „gefangen“ bleibt. Die Begriffe „Quantenlevitation“ und „Quantenverriegelung“ wurden für diesen Prozess von Guy Deutscher, Physiker der Universität Tel Aviv, einem der führenden Forscher auf diesem Gebiet, geprägt.
Der Meissner-Effekt
Denken wir einmal darüber nach, was eigentlich ein Supraleiter ist: Es ist ein Material, in dem Elektronen sehr leicht fließen können. Elektronen fließen ohne Widerstand durch Supraleiter, so dass, wenn Magnetfelder in die Nähe eines supraleitenden Materials kommen, der Supraleiter kleine Ströme auf seiner Oberfläche bildet, die das einfallende Magnetfeld aufheben. Das Ergebnis ist, dass die magnetische Feldstärke innerhalb der Oberfläche des Supraleiters genau null ist. Wenn Sie die Netto-Magnetfeldlinien kartieren würden, würde dies zeigen, dass sie sich um das Objekt biegen.
Aber wie lässt es ihn schweben?
Wenn ein Supraleiter auf eine Magnetbahn gelegt wird, bleibt der Supraleiter über der Bahn und wird im Wesentlichen von dem starken Magnetfeld direkt an der Oberfläche der Bahn weggedrückt. Es gibt natürlich eine Grenze dafür, wie weit es über die Spur geschoben werden kann, da die Kraft der magnetischen Abstoßung der Kraft von entgegenwirken muss Schwere .
Eine Scheibe aus einem Typ-I-Supraleiter zeigt den Meissner-Effekt in seiner extremsten Version, die als 'perfekter Diamagnetismus' bezeichnet wird, und enthält keine Magnetfelder im Inneren des Materials. 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 wird normalerweise nicht an Ort und Stelle bleiben. (Derselbe Prozess war in der Lage, Supraleiter in einem konkaven, schüsselförmigen Bleimagneten schweben zu lassen, in dem der Magnetismus gleichmäßig auf alle Seiten drückt.)
Um nützlich zu sein, muss die Levitation etwas stabiler sein. Hier kommt die Quantenverriegelung ins Spiel.
Flussrohre
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, einen Teil des Magnetfelds in den Supraleiter eindringen zu lassen. Deshalb bilden sich die Flusswirbel in Bereichen, in denen das Magnetfeld tatsächlich durch den Supraleiter „durchrutschen“ kann.
In dem oben vom Team aus Tel Aviv beschriebenen Fall war es ihnen möglich, einen speziellen dünnen Keramikfilm über die Oberfläche eines Wafers zu züchten. Im abgekühlten Zustand ist dieses keramische Material ein Typ-II-Supraleiter. Weil es so dünn ist, ist der gezeigte Diamagnetismus nicht perfekt ... was die Erzeugung dieser Flusswirbel ermöglicht, die durch das Material gehen.
Flusswirbel können sich auch in Typ-II-Supraleitern bilden, selbst wenn das Supraleitermaterial nicht ganz so dünn ist. Der Typ-II-Supraleiter kann so gestaltet werden, dass dieser Effekt verstärkt wird, der als „enhanced flux pinning“ bezeichnet wird.
Quantenverriegelung
Wenn das Feld in Form einer Flussröhre in den Supraleiter eindringt, schaltet es den Supraleiter in diesem schmalen Bereich im Wesentlichen aus. Stellen Sie sich jede Röhre als winzigen Nicht-Supraleiter-Bereich in der Mitte des Supraleiters vor. Bewegt sich der Supraleiter, bewegen sich die Flusswirbel. Denken Sie jedoch an zwei Dinge:
- die Flusswirbel sind Magnetfelder
- Der Supraleiter erzeugt Ströme, um Magnetfeldern entgegenzuwirken (dh der Meissner-Effekt).
Das sehr supraleitende Material selbst erzeugt eine Kraft, um jede Art von Bewegung in Bezug auf das Magnetfeld zu verhindern. Wenn Sie zum Beispiel den Supraleiter kippen, werden Sie ihn in dieser Position „verriegeln“ oder „einschließen“. Es wird eine ganze Strecke mit demselben Neigungswinkel umfahren. Dieser Prozess der Arretieren des Supraleiters an Ort und Stelle durch Höhe und Ausrichtung reduziert unerwünschtes Wackeln (und ist auch optisch beeindruckend, wie die Universität Tel Aviv gezeigt hat).
Sie können den Supraleiter innerhalb des Magnetfelds neu ausrichten, weil Ihre Hand weit mehr Kraft und Energie aufbringen kann als das Feld ausübt.
Andere Arten der Quantenlevitation
Der oben beschriebene Prozess der Quantenlevitation basiert auf magnetischer Abstoßung, aber es wurden auch andere Methoden der Quantenlevitation vorgeschlagen, einschließlich einiger, die auf dem Casimir-Effekt basieren. Auch dies beinhaltet eine merkwürdige Manipulation der elektromagnetischen Eigenschaften des Materials, also bleibt abzuwarten, wie praktisch es ist.
Die Zukunft der Quantenlevitation
Leider ist die aktuelle Intensität dieses Effekts so groß, dass wir noch lange keine fliegenden Autos haben werden. Außerdem funktioniert es nur über einem starken Magnetfeld, was bedeutet, dass wir neue Magnetschienenstraßen bauen müssten. Allerdings gibt es in Asien neben den eher traditionellen elektromagnetischen Schwebebahnen (Maglev) bereits Magnetschwebebahnen, die dieses Verfahren nutzen.
Eine weitere nützliche Anwendung ist die Herstellung wirklich reibungsfreier Lager. Das Lager wäre drehbar, aber ohne direkten physischen Kontakt mit dem umgebenden Gehäuse aufgehängt, so dass es zu keiner Reibung kommt. Es wird sicherlich einige industrielle Anwendungen dafür geben, und wir werden die Augen offen halten, wenn sie in die Nachrichten kommen.
Quantenlevitation in der Populärkultur
Während das ursprüngliche YouTube-Video viel im Fernsehen gespielt wurde, war einer der frühesten Auftritte der Populärkultur von echter Quantenlevitation in der Folge von Stephen Colbert vom 9. November Der Colbert-Bericht , eine satirische politische Expertenshow 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 Quantenlevitation folgendermaßen:
Wie Sie sicher wissen, bezieht sich Quantenlevitation auf das Phänomen, bei dem die magnetischen Flusslinien, die durch einen Supraleiter vom Typ II fließen, trotz der auf sie einwirkenden elektromagnetischen Kräfte an Ort und Stelle festgehalten werden. Ich habe das aus dem Inneren einer Snapple-Kappe gelernt. Dann fuhr er fort, eine Mini-Tasse seines Americone Dream-Eiscremegeschmacks von Stephen Colbert schweben zu lassen. Er konnte dies tun, weil sie eine supraleitende Scheibe in den Boden des Eisbechers gelegt hatten. (Tut mir leid, dass ich den Geist aufgegeben habe, Colbert. Danke an Dr. Sullivan, dass er mit uns über die Wissenschaft hinter diesem Artikel gesprochen hat!)