Шоу физиков: Квантовая левитация

Серия новых опытов в яркой и наглядной форме продемонстрировала зрителям удивительные квантовые эффекты. Парящие без видимой поддержки предметы — можно ли придумать что-то лучшее для того, чтобы обычный человек мог "пощупать" квантовую физику?…

Учёные из университета Тель-Авива (Tel Aviv University) поставили несколько экспериментов, проявивших необычные способности сверхпроводников – квантовый захват (quantum trapping) и квантовую левитацию.

Физики исследовали, как ведут себя сверхпроводящие тела в магнитных полях в зависимости от ряда условий. И эта изначально научная работа породила любопытный прикладной проект Quantum levitation.

При квантовом захвате, в отличие от обычного парения магнитов над сверхпроводником (или наоборот), висящее тело можно сдвинуть, наклонить, сместить ниже или выше по желанию. И после того как экспериментатор убрал руку, предмет «запомнит» новое положение (фотографии Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).

Исследователи создали на основе упомянутых феноменов увлекательный набор обучающих и познавательных наборов и показали их с 15 по 18 октября 2011 года в Балтиморе на выставке-конференции американской Ассоциации научно-технических центров (Association of Science-Technology Centers).

Одна из целей ассоциации – знакомство в форме игры широкой публики с новейшими достижениями науки и вовлечение масс в обсуждение таких инноваций.

На первый взгляд, перед нами давным-давно виденные опыты с левитацией предметов, основанные на вытеснении магнитного поля сверхпроводником, то есть на эффекте Мейснера. Но на деле всё сложнее.

В модификации «железная дорога» сверхпроводящий диск охотно бегает как над полотном, так и под ним. Аналогично в опыте со статичной подвеской корпус с магнитом можно как угодно наклонять и переворачивать (фотографии Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).

Если сверхпроводник достаточно тонкий, объясняют физики, магнитное поле в основном выталкивается из него так же, как и при эффекте Мейснера, но в некоторых отдельных точках оно пронзает материал насквозь, словно «маленькими квантовыми порциями». При этом возникает удивительная цепочка эффектов.

Израильтяне создали свои летающие диски из кристаллов сапфира (брались пластинки толщиной 0,5 миллиметра), покрытого слоем сверхпроводящей керамики (оксид иттрия бария меди — YBa₂Cu₃O_7-x) толщиной около 1 микрометра. В сверхпроводящее состояние этот материал переходит при охлаждении ниже минус 185 °C, для чего используется жидкий азот. Весь диск упаковывается в пластик.

Когда этот диск попадает в поле от постоянного магнита, некоторые силовые линии проходят сквозь сверхпроводник – в этих местах возникают потоковые трубки (flux tubes). Внутри каждой такой трубки сверхпроводимость локально разрушается, несмотря на низкую температуру материала.

Формирование потоковых трубок, которые запирают сверхпроводник в том положении относительно магнитов, в котором его оставили (иллюстрация Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).

Сверхпроводник допускает существование таких трубок в своих самых «слабых» участках, где сверхпроводимость под действием поля разрушается легче, например на границах зёрен.

Однако любое движение сверхпроводника относительно силовых линий вызывает и смещение трубок. Чтобы это предотвратить, весь кусок материала остаётся запертым в воздухе – сдвигается вместе с источником удерживающего его поля.

Создавая свои игрушки для музеев и выставок, физики заодно поставили рекорд по подъёму левитирующего тела на основе сверхпроводимости – более четырёх сантиметров (кадр Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).

В отличие от простой магнитной подвески (вспомнить хотя бы удивительный Levitron), работающей или на притяжение или на отталкивание в зависимости от полярности магнитов, квантовая левитация безразлична к взаимной ориентации силовых линий от магнита и силы тяжести: как ни крути связку магнит-сверхпроводник, они остаются неразлучными, сохраняют исходное взаимное расположение и заданный зазор.

На этом принципе физики построили ряд обучающих комплектов: наборы для демонстрации квантового захвата, демонстратор «квантового подшипника», работающий без трения, прямолинейные рельсы, вдоль которых может скользить летающий диск, и, наконец, закольцованную магнитную железную дорогу.

Подбирая число, размер и расположение магнитов и сверхпроводников, можно получить и «монорельс», и подшипник, удерживающие парящие тела над собой, но при этом позволяющие им смещаться вдоль трассы или вращаться вокруг оси (фотографии Guy Deutscher, Boaz Almog/ Superconductivity group, Tel Aviv University).

Последние две игрушки работают потому, что явление захвата зависит среди прочего и от соотношения размера диска и магнита. При правильном «рисунке» из магнитиков сверхпроводящий диск, который толкнули рукой, перескакивает от одного магнита к другому, не падая на пол.

Напоследок добавим, что эксперименты израильтян в лаборатории, а не на выставке в чём-то оказались даже эффектнее. Им удалось добиться от пары диск-магнит заметно большего зазора при сохранении явления захвата.

В другом эксперименте сразу два диска летали на разной высоте над одной и той же «дорогой» в противоположных направлениях, не теряя связи с магнитами и не мешая друг другу. На всё это действительно стоит посмотреть поближе.

 

источник