Come funziona la levitazione quantistica

Alcuni video su Internet mostrano qualcosa chiamato "levitazione quantistica". Cos'è questo? Come funziona? Potremo avere macchine volanti?

La levitazione quantistica come viene chiamata è un processo in cui gli scienziati usano le proprietà della fisica quantistica per levitare un oggetto (in particolare un superconduttore) su una sorgente magnetica (in particolare una traccia di levitazione quantistica progettata per questo scopo).

La scienza della levitazione quantistica

Il motivo per cui funziona è qualcosa chiamato effetto Meissner e blocco del flusso magnetico. L'effetto Meissner impone che un superconduttore in un campo magnetico espellerà sempre il campo magnetico al suo interno, e quindi piegherà il campo magnetico attorno ad esso. Il problema è una questione di equilibrio. Se hai appena posizionato un superconduttore sopra un magnete, allora il superconduttore fluttuerebbe semplicemente fuori dal magnete, un po 'come cercare di bilanciare due poli magnetici del sud di magneti a barra uno contro l'altro.

Il processo di levitazione quantistica diventa molto più intrigante attraverso il processo di rilevamento del flusso o blocco quantico, come descritto dal gruppo di superconduttori dell'Università di Tel Aviv in questo modo:

La superconduttività e il campo magnetico [sic] non si piacciono. Quando possibile, il superconduttore espellerà tutto il campo magnetico dall'interno. Questo è l'effetto Meissner. Nel nostro caso, poiché il superconduttore è estremamente sottile, il campo magnetico DO penetra. Tuttavia, lo fa in quantità discrete (questa è la fisica quantistica dopo tutto!) Chiamate tubi di flusso. All'interno di ogni tubo di flusso magnetico la superconduttività viene distrutta localmente. Il superconduttore cercherà di mantenere i tubi magnetici bloccati in aree deboli (ad es. I bordi del grano). Qualsiasi movimento spaziale del superconduttore farà muovere i tubi di flusso. Al fine di evitare che il superconduttore rimanga "intrappolato" a mezz'aria. I termini "levitazione quantistica" e "bloccaggio quantico" sono stati coniati per questo processo dal fisico dell'Università di Tel Aviv Guy Deutscher, uno dei principali ricercatori in questo campo.

L'effetto Meissner

Pensiamo a cosa sia realmente un superconduttore: è un materiale in cui gli elettroni sono in grado di fluire molto facilmente. Gli elettroni fluiscono attraverso i superconduttori senza resistenza, in modo che quando i campi magnetici si avvicinano a un materiale superconduttore, il superconduttore forma piccole correnti sulla sua superficie, annullando il campo magnetico in ingresso. Il risultato è che l'intensità del campo magnetico all'interno della superficie del superconduttore è precisamente zero. Se mappassi le linee del campo magnetico netto, questo mostrerebbe che si stanno piegando attorno all'oggetto.

Ma come lo fa levitare?

Quando un superconduttore viene posizionato su una traccia magnetica, l'effetto è che il superconduttore rimane sopra la traccia, essenzialmente viene spinto via dal forte campo magnetico proprio sulla superficie della traccia. Esiste un limite a quanto sopra la pista può essere spinto, naturalmente, poiché la potenza della repulsione magnetica deve contrastare la forza di gravità.

Un disco di un superconduttore di tipo I dimostrerà l'effetto Meissner nella sua versione più estrema, che si chiama "diamagnetismo perfetto", e non conterrà alcun campo magnetico all'interno del materiale. Leviterà, mentre cerca di evitare qualsiasi contatto con il campo magnetico. Il problema è che la levitazione non è stabile. L'oggetto levitante normalmente non rimane al suo posto. (Questo stesso processo è stato in grado di levitare i superconduttori all'interno di un magnete al piombo concavo a forma di scodella, in cui il magnetismo spinge equamente su tutti i lati.)

Per essere utile, la levitazione deve essere un po 'più stabile. È qui che entra in gioco il bloccaggio quantico.

Tubi di flusso

Uno degli elementi chiave del processo di bloccaggio quantistico è l'esistenza di questi tubi di flusso, chiamati "vortici". Se un superconduttore è molto sottile o se il superconduttore è un superconduttore di tipo II, il superconduttore costa meno energia per consentire a parte del campo magnetico di penetrare nel superconduttore. Ecco perché si formano i vortici di flusso, nelle regioni in cui il campo magnetico è in grado di "scivolare" attraverso il superconduttore.

Nel caso descritto dal team di Tel Aviv sopra, sono stati in grado di far crescere uno speciale film ceramico sottile sulla superficie di un wafer. Quando raffreddato, questo materiale ceramico è un superconduttore di tipo II. Perché è così sottile, il diamagnetismo esposto non è perfetto ... consentendo la creazione di questi vortici di flusso che passano attraverso il materiale.

I vortici di flusso possono anche formarsi in superconduttori di tipo II, anche se il materiale superconduttore non è così sottile. Il superconduttore di tipo II può essere progettato per migliorare questo effetto, chiamato "aumento del flusso".

Blocco quantico

Quando il campo penetra nel superconduttore sotto forma di un tubo di flusso, essenzialmente spegne il superconduttore in quella regione ristretta. Immagina ogni provetta come una minuscola regione non superconduttrice al centro del superconduttore. Se il superconduttore si muove, i vortici di flusso si muoveranno. Ricorda due cose, però:

1. i vortici di flusso sono campi magnetici
2. il superconduttore creerà correnti per contrastare i campi magnetici (ovvero l'effetto di Meissner)

Lo stesso materiale superconduttore creerà una forza per inibire qualsiasi tipo di movimento in relazione al campo magnetico. Se inclini il superconduttore, ad esempio, lo "bloccherai" o "intrappolerai" in quella posizione. Andrà in giro per un'intera traccia con lo stesso angolo di inclinazione. Questo processo di blocco del superconduttore in posizione per altezza e orientamento riduce eventuali oscillazioni indesiderate (ed è anche visivamente impressionante, come mostrato dall'Università di Tel Aviv).

Sei in grado di riorientare il superconduttore all'interno del campo magnetico perché la tua mano può applicare molta più forza ed energia di ciò che il campo sta esercitando.

Altri tipi di levitazione quantistica

Il processo di levitazione quantistica sopra descritto si basa sulla repulsione magnetica, ma sono stati proposti altri metodi di levitazione quantistica, inclusi alcuni basati sull'effetto Casimir. Ancora una volta, ciò comporta una curiosa manipolazione delle proprietà elettromagnetiche del materiale, quindi resta da vedere quanto sia pratico.

Il futuro della levitazione quantistica

Sfortunatamente, l'attuale intensità di questo effetto è tale che non avremo macchine volanti per un po 'di tempo. Inoltre, funziona solo su un forte campo magnetico, il che significa che avremmo bisogno di costruire nuove strade a binario magnetico. Tuttavia, ci sono già treni a levitazione magnetica in Asia che utilizzano questo processo, oltre ai più tradizionali treni a levitazione elettromagnetica (maglev).

Un'altra utile applicazione è la creazione di cuscinetti senza attrito. Il cuscinetto sarebbe in grado di ruotare, ma sarebbe sospeso senza un contatto fisico diretto con l'alloggiamento circostante in modo tale da evitare attriti. Ci saranno sicuramente alcune applicazioni industriali per questo, e terremo gli occhi aperti per quando colpiranno la notizia.

Levitazione quantistica nella cultura popolare

Mentre il video iniziale di YouTube è stato molto riprodotto in televisione, una delle prime apparizioni popolari sulla cultura della vera levitazione quantistica è stata l'episodio del 9 novembre di Stephen Colbert Il rapporto Colbert, uno spettacolo di esperti politici satirici della Commedia Centrale. Colbert portò lo scienziato Dr. Matthew C. Sullivan dal dipartimento di fisica del Ithaca College. Colbert ha spiegato al suo pubblico la scienza alla base della levitazione quantistica in questo modo:

Come sicuramente saprai, la levitazione quantistica si riferisce al fenomeno per cui le linee di flusso magnetico che attraversano un superconduttore di tipo II sono fissate in posizione nonostante le forze elettromagnetiche che agiscono su di esse. L'ho imparato dall'interno di un cappellino Snapple e ha continuato a levitare una mini tazza del suo sapore da gelato Americone Dream di Stephen Colbert. Era in grado di farlo perché avevano messo un disco superconduttore nella parte inferiore della coppa del gelato. (Mi dispiace rinunciare al fantasma, Colbert. Grazie al dott. Sullivan per aver parlato con noi della scienza alla base di questo articolo!)