Bagaimana Cara Kerja Quantum Levitation

Beberapa video di internet menunjukkan sesuatu yang disebut "levitasi kuantum." Apa ini? Bagaimana cara kerjanya? Apakah kita dapat memiliki mobil terbang?

Levitasi kuantum seperti yang disebut adalah proses di mana para ilmuwan menggunakan sifat fisika kuantum untuk melayang objek (khususnya, a superkonduktor) lebih dari a sumber magnet (khusus trek levitasi kuantum yang dirancang untuk tujuan ini).

Alasan ini berfungsi adalah sesuatu yang disebut Efek Meissner dan pinning fluks magnetik. Efek Meissner menentukan bahwa superkonduktor dalam medan magnet akan selalu mengeluarkan medan magnet di dalamnya, dan dengan demikian menekuk medan magnet di sekitarnya. Masalahnya adalah masalah keseimbangan. Jika Anda hanya menempatkan superkonduktor di atas magnet, maka superkonduktor itu akan melayang magnet, semacam suka menyeimbangkan dua kutub magnet selatan dari magnet batang terhadap masing-masing lain.

Proses levitasi kuantum menjadi jauh lebih menarik melalui proses fluks pinning, atau penguncian kuantum, seperti yang dijelaskan oleh kelompok superkonduktor Universitas Tel Aviv dengan cara ini:

Superkonduktivitas dan medan magnet tidak saling menyukai. Jika memungkinkan, superkonduktor akan mengeluarkan semua medan magnet dari dalam. Ini adalah efek Meissner. Dalam kasus kami, karena superkonduktor sangat tipis, medan magnet TIDAK menembus. Namun, ia melakukannya dalam jumlah tersendiri (ini fisika kuantum Lagipula! ) disebut tabung fluks. Di dalam setiap superkonduktivitas tabung fluks magnetik dihancurkan secara lokal. Superkonduktor akan mencoba untuk menjaga tabung magnetik disematkan di daerah yang lemah (mis. Batas butir). Setiap pergerakan spasial dari superkonduktor akan menyebabkan tabung fluks bergerak. Untuk mencegah agar superkonduktor tetap "terjebak" di udara. Istilah "levitasi kuantum" dan "penguncian kuantum" diciptakan untuk proses ini oleh fisikawan Universitas Tel Aviv, Guy Deutscher, salah satu peneliti utama dalam bidang ini.

Mari kita pikirkan tentang apa sebenarnya superkonduktor: itu adalah bahan di mana elektron dapat mengalir dengan mudah. Elektron mengalir melalui superkonduktor tanpa hambatan, sehingga ketika medan magnet mendekati a bahan superkonduktor, superkonduktor membentuk arus kecil di permukaannya, membatalkan yang masuk Medan gaya. Hasilnya adalah bahwa intensitas medan magnet di dalam permukaan superkonduktor adalah nol. Jika Anda memetakan garis medan magnet bersih itu akan menunjukkan bahwa mereka membungkuk di sekitar objek.

Tapi bagaimana ini membuatnya melayang?

Ketika superkonduktor ditempatkan pada jalur magnetik, efeknya adalah bahwa superkonduktor tetap ada di atas trek, pada dasarnya didorong oleh medan magnet yang kuat tepat di trek permukaan. Ada batas seberapa jauh di atas jalur itu dapat didorong, tentu saja, karena kekuatan tolakan magnetik harus menangkal kekuatan gravitasi.

Disk superkonduktor tipe-I akan menunjukkan efek Meissner dalam versi yang paling ekstrem, yang disebut "diamagnetisme sempurna," dan tidak akan mengandung medan magnet di dalamnya bahan. Ini akan melayang, karena mencoba menghindari kontak dengan medan magnet. Masalahnya adalah levitasi tidak stabil. Objek melayang biasanya tidak akan tetap di tempatnya. (Proses yang sama ini telah mampu melayang superkonduktor dalam magnet timah cekung berbentuk mangkuk, di mana magnet mendorong sama di semua sisi.)

Agar bermanfaat, levitasi harus sedikit lebih stabil. Di situlah penguncian kuantum berperan.

Salah satu elemen kunci dari proses penguncian kuantum adalah keberadaan tabung fluks ini, yang disebut "vortex". Jika superkonduktor sangat tipis, atau jika superkonduktor adalah superkonduktor tipe-II, maka biaya superkonduktor lebih sedikit energi untuk memungkinkan beberapa medan magnet menembus superkonduktor. Itu sebabnya fluks vortisitas terbentuk, di daerah di mana medan magnet mampu, pada dasarnya, "menyelinap" superkonduktor.

Dalam kasus yang dijelaskan oleh tim Tel Aviv di atas, mereka dapat menumbuhkan film keramik tipis khusus di atas permukaan wafer. Saat didinginkan, bahan keramik ini adalah superkonduktor tipe-II. Karena sangat tipis, diamagnetisme yang dipamerkan tidak sempurna... memungkinkan untuk penciptaan vortisitas fluks melewati bahan.

Vortisitas fluks juga dapat terbentuk dalam superkonduktor tipe-II, bahkan jika bahan superkonduktornya tidak terlalu tipis. Superkonduktor tipe-II dapat dirancang untuk meningkatkan efek ini, yang disebut "pinning fluks yang disempurnakan."

Ketika medan menembus ke superkonduktor dalam bentuk tabung fluks, pada dasarnya mematikan superkonduktor di wilayah sempit itu. Bayangkan setiap tabung sebagai daerah non-superkonduktor kecil di tengah-tengah superkonduktor. Jika superkonduktor bergerak, pusaran fluks akan bergerak. Ingat dua hal:

1. pusaran fluks adalah medan magnet
2. superkonduktor akan menciptakan arus untuk melawan medan magnet (mis. efek Meissner)

Bahan superkonduktor itu sendiri akan menciptakan gaya untuk menghambat segala jenis gerakan dalam kaitannya dengan medan magnet. Jika Anda memiringkan superkonduktor, misalnya, Anda akan "mengunci" atau "menjebak" ke posisi itu. Ini akan mengelilingi seluruh trek dengan sudut kemiringan yang sama. Proses ini mengunci superkonduktor di tempatnya oleh tinggi dan orientasi mengurangi goyangan yang tidak diinginkan (dan juga mengesankan secara visual, seperti yang ditunjukkan oleh Universitas Tel Aviv.)

Anda dapat mengarahkan kembali superkonduktor ke dalam medan magnet karena tangan Anda dapat menerapkan kekuatan dan energi yang jauh lebih besar daripada apa yang diberikan medan.

Proses levitasi kuantum yang dijelaskan di atas didasarkan pada tolakan magnetik, tetapi ada metode levitasi kuantum lain yang telah diusulkan, termasuk beberapa berdasarkan efek Casimir. Sekali lagi, ini melibatkan beberapa manipulasi sifat elektromagnetik material yang aneh, sehingga masih harus dilihat seberapa praktisnya.

Sayangnya, intensitas efek ini saat ini sedemikian rupa sehingga kami tidak akan memiliki mobil terbang untuk beberapa waktu. Selain itu, ini hanya bekerja di atas medan magnet yang kuat, artinya kita perlu membangun jalan lintasan magnet baru. Namun, sudah ada kereta levitasi magnetik di Asia yang menggunakan proses ini, selain kereta levitasi elektromagnetik (maglev) yang lebih tradisional.

Aplikasi lain yang bermanfaat adalah pembuatan bantalan yang benar-benar bebas gesekan. Bantalan akan dapat berputar, tetapi akan ditangguhkan tanpa kontak fisik langsung dengan perumahan sekitarnya sehingga tidak akan ada gesekan. Pasti akan ada beberapa aplikasi industri untuk ini, dan kami akan tetap membuka mata ketika mereka mendapat berita.

Sementara video YouTube awal banyak diputar di televisi, salah satu penampilan budaya populer paling awal dari pengangkatan kuantum nyata adalah pada episode 9 November dari Stephen Colbert's Laporan Colbert, sebuah pertunjukan cendekiawan satiris politik Komedi Tengah. Colbert membawa ilmuwan Dr. Matius C. Sullivan dari departemen fisika Ithaca College. Colbert menjelaskan kepada para pendengarnya ilmu di balik levitasi kuantum dengan cara ini:

Seperti yang saya yakin Anda tahu, levitasi kuantum mengacu pada fenomena di mana garis fluks magnetik mengalir melalui superkonduktor tipe-II disematkan di tempat meskipun gaya elektromagnetik bertindak atas mereka. Saya belajar itu dari bagian dalam topi Snapple. Dia kemudian melanjutkan untuk melayang secangkir mini rasa es krim American Dream milik Stephen Colbert miliknya. Dia mampu melakukan ini karena mereka telah menempatkan disk superkonduktor di bagian bawah cangkir es krim. (Maaf untuk melepaskan hantu itu, Colbert. Terima kasih kepada Dr. Sullivan karena telah berbicara dengan kami tentang sains di balik artikel ini!)