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Wie Quanten-Levitation funktioniert

Wie Quanten-Levitation funktioniert

Einige Videos im Internet zeigen so etwas wie "Quantenschweben". Was ist das? Wie funktioniert es? Können wir fliegende Autos haben?

Die sogenannte Quanten-Levitation ist ein Prozess, bei dem Wissenschaftler die Eigenschaften der Quantenphysik nutzen, um ein Objekt (insbesondere einen Supraleiter) über einer Magnetquelle (insbesondere einer für diesen Zweck entwickelten Quanten-Levitationsspur) zu schweben.

Die Wissenschaft der Quantenschwebetechnik

Der Grund, warum dies funktioniert, ist der sogenannte Meißner-Effekt und das Fixieren des Magnetflusses. Der Meißner-Effekt schreibt vor, dass ein Supraleiter in einem Magnetfeld das Magnetfeld in seinem Inneren immer ausstößt und so das Magnetfeld um dieses herum biegt. Das Problem ist eine Frage des Gleichgewichts. Wenn Sie nur einen Supraleiter auf einen Magneten legen, schwimmt der Supraleiter einfach vom Magneten ab und versucht sozusagen, zwei südliche Magnetpole von Stabmagneten gegeneinander auszubalancieren.

Der Quanten-Levitations-Prozess wird durch den Prozess des Flux-Pinning oder des Quanten-Locking, wie er von der Supraleiter-Gruppe der Universität Tel Aviv auf folgende Weise beschrieben wird, viel faszinierender:

Supraleitung und Magnetfeld mögen sich nicht. Wenn möglich, wird der Supraleiter das gesamte Magnetfeld von innen ausstoßen. Dies ist der Meißner-Effekt. In unserem Fall dringt das Magnetfeld ein, da der Supraleiter extrem dünn ist. Dies geschieht jedoch in diskreten Größen (das ist schließlich Quantenphysik!), Die als Flussröhren bezeichnet werden. In jeder magnetischen Flussröhre wird die Supraleitung lokal zerstört. Der Supraleiter wird versuchen, die magnetischen Röhren in schwachen Bereichen (z. B. Korngrenzen) festzuhalten. Bei jeder räumlichen Bewegung des Supraleiters bewegen sich die Flussröhren. 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.

Der Meißner-Effekt

Stellen wir uns vor, was ein Supraleiter wirklich ist: Es ist ein Material, in dem Elektronen sehr leicht fließen können. Elektronen fließen durch Supraleiter ohne Widerstand, so dass der Supraleiter bei Annäherung von Magnetfeldern an ein supraleitendes Material kleine Ströme auf seiner Oberfläche bildet und das einfallende Magnetfeld aufhebt. Das Ergebnis ist, dass die Magnetfeldstärke innerhalb der Oberfläche des Supraleiters genau Null ist. Wenn Sie die Netzmagnetfeldlinien abbilden, wird angezeigt, dass sie sich um das Objekt biegen.

Aber wie macht es das schweben?

Wenn ein Supraleiter auf einer Magnetspur platziert wird, bleibt der Supraleiter über der Spur und wird im Wesentlichen durch das starke Magnetfeld direkt an der Oberfläche der Spur weggedrückt. Es gibt natürlich eine Grenze, wie weit über die Spur geschoben werden kann, da die Kraft der magnetischen Abstoßung der Schwerkraft entgegenwirken muss.

Eine Scheibe eines Typ-I-Supraleiters zeigt den Meißner-Effekt in seiner extremsten Version, der als "perfekter Diamagnetismus" bezeichnet wird, und enthält im Inneren des Materials keine Magnetfelder. 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 den der Magnetismus nach allen Seiten gleichermaßen drückt.)

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

Flussmittelröhren

Eines der Schlüsselelemente des Quantensperrprozesses ist die Existenz dieser Flussröhren, die als "Wirbel" bezeichnet werden. Wenn ein Supraleiter sehr dünn ist oder wenn der Supraleiter ein Supraleiter vom Typ II ist, kostet dies 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 "rutschen" kann.

Im oben beschriebenen Fall des Tel Aviv-Teams konnten sie einen speziellen dünnen Keramikfilm über der Oberfläche eines Wafers wachsen lassen. Nach dem Abkühlen ist dieses Keramikmaterial ein Supraleiter vom Typ II. Weil es so dünn ist, ist der gezeigte Diamagnetismus nicht perfekt. Dies ermöglicht die Erzeugung dieser Flusswirbel, die durch das Material fließen.

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

Quantum Locking

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 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. der Meissner-Effekt)

Das supraleitende Material selbst erzeugt eine Kraft, die jede Art von Bewegung in Bezug auf das Magnetfeld hemmt. Wenn Sie zum Beispiel den Supraleiter kippen, "verriegeln" oder "fangen" Sie ihn in dieser Position. Es wird eine ganze Strecke mit dem gleichen Neigungswinkel umrunden. Dieser Vorgang des Verriegelns des Supraleiters durch Höhe und Ausrichtung verringert unerwünschtes Wackeln (und 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.

Andere Arten der Quantenschwebung

Der oben beschriebene Prozess der Quanten-Levitation basiert auf magnetischer Abstoßung, es wurden jedoch auch andere Methoden der Quanten-Levitation vorgeschlagen, darunter einige, die auf dem Casimir-Effekt beruhen. Auch dies beinhaltet einige merkwürdige Manipulationen der elektromagnetischen Eigenschaften des Materials, so dass abzuwarten bleibt, wie praktisch es ist.

Die Zukunft der Quantenschwebetechnik

Leider ist die aktuelle Intensität dieses Effekts so groß, dass wir längere 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 zusätzlich zu den traditionelleren elektromagnetischen Schwebebahnen (Magnetschwebebahnen) anwenden.

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

Quanten-Levitation in der Populärkultur

Während das ursprüngliche YouTube-Video im Fernsehen viel Aufsehen erregte, war eine der frühesten populären Erscheinungen der echten Quantenschwebung die 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 vom Ithaca College mit. Colbert erklärte seinem Publikum die Wissenschaft hinter der Quantenlevitation auf diese Weise:

Wie Sie sicher wissen, bezieht sich die Quantenschwebung auf das Phänomen, dass die Magnetflusslinien, die durch einen Typ-II-Supraleiter fließen, trotz der auf sie einwirkenden elektromagnetischen Kräfte an ihrem Platz fixiert sind. Das erfuhr ich von der Innenseite einer Snapple-Kappe. Anschließend schwebte er eine kleine Tasse mit dem Americone Dream-Eisgeschmack von Stephen Colbert frei. Dies gelang ihm, weil sie eine Supraleiterscheibe in den Boden des Eisbechers gelegt hatten. (Tut mir leid, den Geist aufzugeben, Colbert. Vielen Dank an Dr. Sullivan, der mit uns über die Wissenschaft hinter diesem Artikel gesprochen hat!)

Schau das Video: Quantum Levitation Explained (March 2020).