كيف يعمل الإرتفاع الكمي

تظهر بعض مقاطع الفيديو على الإنترنت شيئًا يسمى "الرفع الكمي". ما هذا؟ كيف يعمل؟ هل سنكون قادرين على امتلاك سيارات طيران؟

الارتفاع الكمي كما يطلق عليه هو عملية حيث يستخدم العلماء خصائص فيزياء الكم رفع شيء ما (على وجه التحديد ، أ موصل فائق) أكثر من مصدر مغناطيسي (على وجه التحديد مسار الرفع الكمومي المصمم لهذا الغرض).

سبب هذا يعمل شيء يسمى تأثير ميسنر وتثبيت التدفق المغناطيسي. يفرض تأثير ميسنر أن الموصل الفائق في المجال المغناطيسي سيطرد دائمًا المجال المغناطيسي بداخله ، وبالتالي ينحني المجال المغناطيسي حوله. المشكلة هي مسألة توازن. إذا وضعت للتو موصلًا فائقًا فوق مغناطيس ، فإن الموصل الفائق سيطفو المغناطيس ، نوعًا ما مثل محاولة موازنة قطبين مغناطيسيين جنوبيين من مغناطيس القضيب مقابل كل منهما آخر.

تصبح عملية الرفع الكمي أكثر إثارة للفضول من خلال عملية تثبيت التدفق ، أو القفل الكمي ، كما هو موضح من قبل مجموعة الموصلات الفائقة بجامعة تل أبيب بهذه الطريقة:

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي [كذا] لا يحب كل منهما الآخر. عندما يكون ذلك ممكنًا ، سيطرد الموصل الفائق كل المجال المغناطيسي من الداخل. هذا هو تأثير ميسنر. في حالتنا ، بما أن الموصل الفائق رقيق للغاية ، فإن المجال المغناطيسي يخترق. ومع ذلك ، فإنه يفعل ذلك بكميات منفصلة (هذا هو

دعونا نفكر في ماهية الموصل الفائق حقًا: إنها مادة تكون فيها الإلكترونات قادرة على التدفق بسهولة بالغة. تتدفق الإلكترونات عبر الموصلات الفائقة بدون مقاومة ، بحيث عندما تقترب الحقول المغناطيسية من مادة فائقة التوصيل ، يشكل الموصل الفائق تيارات صغيرة على سطحه ، مما يلغي الداخل حقل مغناطيسي. والنتيجة هي أن شدة المجال المغناطيسي داخل سطح الموصل الفائق هي صفر بالضبط. إذا قمت بتعيين خطوط الشبكة المغناطيسية الصافية ، فستظهر أنها تنحني حول الكائن.

ولكن كيف يجعلها ذلك مرفوعًا؟

عندما يتم وضع موصل فائق على مسار مغناطيسي ، فإن التأثير هو أن الموصل الفائق يبقى فوق المسار ، يتم دفعه بعيدًا عن طريق المجال المغناطيسي القوي مباشرة في المسار سطح - المظهر الخارجي. هناك حد لمدى أبعد من المسار الذي يمكن دفعه ، بالطبع ، لأن قوة التنافر المغناطيسي يجب أن تواجه قوة الجاذبية.

سيظهر قرص من الموصل الفائق من النوع I تأثير ميسنر في نسخته الأكثر تطرفًا ، وهو ما يسمى "المغناطيسية المثالية" ولن تحتوي على أي مجال مغناطيسي داخل مواد. سترتفع ، لأنها تحاول تجنب أي اتصال مع المجال المغناطيسي. المشكلة في ذلك هي أن الرفع غير مستقر. عادة ما لا يبقى الجسم الرفع في مكانه. (كانت هذه العملية نفسها قادرة على رفع الموصلات الفائقة داخل مغناطيس رصاص مقعر على شكل وعاء ، حيث تدفع المغناطيسية بالتساوي على جميع الجوانب.)

لكي تكون مفيدة ، يجب أن يكون الرفع أكثر استقرارًا قليلاً. هنا يأتي دور قفل الكم.

أحد العناصر الرئيسية لعملية القفل الكمي هو وجود أنابيب التدفق هذه ، المسماة "دوامة". إذا كان الموصل الفائق رقيقًا جدًا ، أو إذا كان الموصل الفائق موصلاً فائقًا من النوع الثاني ، فإنه يكلف الموصل الفائق طاقة أقل للسماح لبعض المجال المغناطيسي باختراق الموصل الفائق. هذا هو السبب في تشكل دوامات التدفق ، في المناطق التي يكون فيها المجال المغناطيسي قادرًا ، في الواقع ، على "الانزلاق" عبر الموصل الفائق.

في الحالة التي وصفها فريق تل أبيب أعلاه ، تمكنوا من إنتاج طبقة سيراميك رقيقة خاصة على سطح رقاقة. عند تبريدها ، تكون مادة السيراميك هذه من الموصلات الفائقة من النوع الثاني. نظرًا لكونها رقيقة جدًا ، فإن الصورة المغناطيسية المعروضة ليست مثالية... مما يسمح بإنشاء هذه الدوامات التي تمر عبر المادة.

يمكن أن تتكون دوامات التدفق أيضًا في الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، حتى إذا لم تكن مادة الموصل الفائق رقيقة جدًا. يمكن تصميم الموصل الفائق من النوع الثاني لتحسين هذا التأثير ، ويسمى "تثبيت التدفق المحسن".

عندما يخترق الحقل الموصل الفائق على شكل أنبوب تدفق ، فإنه يوقف بشكل أساسي الموصل الفائق في تلك المنطقة الضيقة. تصور كل أنبوب كمنطقة غير موصل فائق الدقة في منتصف الموصل الفائق. إذا تحرك الموصل الفائق ، فسوف تتحرك دوامات التدفق. تذكر شيئين ، على الرغم من:

1. دوامات التدفق هي المجالات المغناطيسية
2. سوف يخلق الموصل الفائق تيارات لمواجهة المجالات المغناطيسية (أي تأثير ميسنر)

إن المادة فائقة التوصيل نفسها ستخلق قوة لتثبيط أي نوع من الحركة فيما يتعلق بالمجال المغناطيسي. إذا قمت بإمالة الموصل الفائق ، على سبيل المثال ، فسوف "تقفله" أو "تحبسه" في ذلك الموضع. سوف تدور حول مسار كامل بنفس زاوية الإمالة. هذه العملية من تأمين الموصل الفائق في مكانه عن طريق الارتفاع والتوجيه يقلل من أي تمايل غير مرغوب فيه (وهو أيضًا مثير للإعجاب بصريًا ، كما هو موضح في جامعة تل أبيب.)

يمكنك إعادة توجيه الموصل الفائق داخل المجال المغناطيسي لأن يدك يمكن أن تستخدم قوة وطاقة أكبر بكثير مما تمارسه المجال.

تعتمد عملية الرفع الكمي الموصوفة أعلاه على التنافر المغناطيسي ، ولكن هناك طرق أخرى للرفع الكمي تم اقتراحها ، بما في ذلك بعض على أساس تأثير Casimir. مرة أخرى ، ينطوي هذا على بعض التلاعب الغريب بالخصائص الكهرومغناطيسية للمادة ، لذلك يبقى أن نرى كيف أنها عملية.

لسوء الحظ ، فإن الكثافة الحالية لهذا التأثير هي أنه لن يكون لدينا سيارات طيران لبعض الوقت. أيضًا ، يعمل فقط على مجال مغناطيسي قوي ، مما يعني أننا سنحتاج إلى بناء طرق مغناطيسية جديدة. ومع ذلك ، هناك بالفعل قطارات رفع مغناطيسية في آسيا تستخدم هذه العملية ، بالإضافة إلى قطارات الإرتفاع الكهرومغناطيسي التقليدية (ماجليف).

تطبيق مفيد آخر هو إنشاء محامل بدون احتكاك. سيكون المحمل قادرًا على الدوران ، ولكن سيتم تعليقه دون اتصال جسدي مباشر مع السكن المحيط بحيث لا يكون هناك أي احتكاك. سيكون هناك بالتأكيد بعض التطبيقات الصناعية لهذا ، وسنبقي أعيننا مفتوحة عندما تصل إلى الأخبار.

في حين حصل الفيديو الأولي على YouTube على الكثير من اللعب على التلفزيون ، كان أحد أقدم مظاهر الثقافة الشعبية للرفع الكمي الحقيقي في حلقة 9 نوفمبر من ستيفن كولبير تقرير كولبير، عرض سياسي ساخر كوميدي سنترال. جلبت كولبير العالم د. ماثيو سي. سوليفان من قسم الفيزياء في كلية إيثاكا. شرح كولبرت لجمهوره العلم الكامن وراء الرفع الكمي بهذه الطريقة:

كما تعلم ، فإن الرفع الكمي يشير إلى الظاهرة التي بموجبها خطوط التدفق المغناطيسي المتدفقة عبر موصل فائق من النوع الثاني مثبتة في مكانها على الرغم من القوى الكهرومغناطيسية المؤثرة عليهم. تعلمت ذلك من داخل غطاء Snapple. ثم شرع في رفع كوب صغير من نكهة الآيس كريم أميريزون دريم ستيفن كولبير. كان قادرًا على القيام بذلك لأنهم وضعوا قرصًا فائق التوصيل داخل قاع كوب الآيس كريم. (آسف للتخلي عن الشبح ، كولبير. شكرا للدكتور سوليفان لتحدثه معنا عن العلم وراء هذه المقالة!)