Суперпровідник Боаз Альмог Левіт Субпровідник TED Talk та транскрипція TED
Явище, яке ви тут бачили протягом секунди, називається квантовою левітацією, або квантовою фіксацією. Об'єкт, що левітує тут, називається надпровідником. Надпровідність є квантовим станом речовини і виникає лише нижче певної критичної температури.
Це явище, відоме давно; був виявлений 100 років тому. Однак лише нещодавно, завдяки останнім технологічним відкриттям, ми можемо продемонструвати квантову левітацію та квантову фіксацію.
Надпровідник визначається двома властивостями. Перший - нульовий електричний опір, а другий - виштовхування магнітного поля зсередини. Це звучить складно? Але що таке електричний опір? Електрика - це потік електронів всередині речовини. Під час руху електрони стикаються з атомами, і в результаті зіткнень вони втрачають частину своєї енергії. І вона розсіює цю енергію у вигляді тепла, ви знаєте явище. Але зіткнень всередині надпровідника немає, тому втрат енергії не відбувається.
Це чудово. Подумайте. У класичній фізиці завжди є тертя, втрата енергії. Але не тут, бо це квантове явище. Це ще не все, надпровідникам не подобається магнітне поле. Надпровідник намагатиметься вигнати магнітне поле зсередини, і він може це зробити циркулюючими струмами. Поєднання двох ефектів: відторгнення магнітних полів та нульовий електричний опір є саме надпровідником.
Але умови не завжди ідеальні, як ми знаємо, і іноді лінії магнітного поля залишаються всередині надпровідника. За ідеальних умов, які ми маємо тут, ці магнітні лінії можуть потрапити всередину надпровідника. І ці лінії магнітного поля всередині надпровідника дуже мало напружені. Чому? Тому що це квантове явище. Це квантова фізика. І вони поводяться як квантові частинки.
У цьому кліпі ви бачите, як вони перебігають одна за одною періодично. Це смужки магнітного поля. Вони не є частинками, але вони поводяться як частинки. Ось чому ми називаємо цей ефект квантовою левітацією та квантовою фіксацією.
Але що трапляється із надпровідником, коли ми поміщаємо його в магнітне поле? Перш за все, всередині залишилися смуги магнітного поля, але надпровідник не любить, щоб вони змінювалися, оскільки їх рух розсіює енергію, а це дестабілізує стан надпровідності. Отже, він знерухомлює ці смуги, звані флуксонами, які він утримує на місці. Реагуючи таким чином, йому вдається відповідно замкнути себе в просторі. Чому? Оскільки будь-який рух надпровідника змінить їх місце, він змінить їх конфігурацію.
Таким чином ми індукуємо квантову фіксацію. Дозвольте мені показати вам, як це працює. У мене є надпровідник, який я загорнув, щоб він досить довго прохолоджувався. Коли я кладу його на звичайний магніт, він залишається нерухомим у повітрі.
Це не просто левітація. Це не просто відмова. Я можу переставити флуксони, і він буде заблокований і в цій новій конфігурації, або я трохи нахилю його вправо або вліво. Це тривимірна квантова фіксація надпровідника. Звичайно, я можу його перекинути, і воно застрягне.
Щоб зрозуміти, що те, що ми називаємо левітацією, насправді є фіксацією. Так, ми розуміємо. Ви не будете здивовані, якщо я візьму цей круговий магніт, в якому магнітне поле скрізь однакове, надпровідник буде обертатися вздовж осі магніту. Чому? Тому що, поки він обертається, фіксація зберігається. Подивитися? Я можу регулювати і обертати надпровідник. Ми маємо рух без тертя. Левітує, але може вільно обертатися.
Отже, ми маємо квантову фіксацію, і ми можемо левітувати над цим магнітом. Скільки потоків, скільки ліній магнітного поля в такому диску? Ми можемо підрахувати, і, здається, це дуже багато. Сто мільярдів ліній магнітного поля всередині цього восьмисантиметрового диска.
Але це не дивовижна частина, є щось, про що я вам ще не розповідав. Дивовижна частина полягає в тому, що цей надпровідник має товщину всього лише мікрон. Це надзвичайно тонкий. Цей надзвичайно тонкий шар може левітувати в 70 000 разів більше власної ваги. Це надзвичайний ефект. Це дуже міцно.
Я міг би розширити цей круговий магніт і зробити будь-який маршрут, який я хочу. Наприклад, я можу зробити великий круговий маршрут. Коли я розміщую надпровідний диск над рейкою, він вільно рухається.
Це ще не все. Я можу регулювати його положення, обертати його та вільно пересуватися в цьому новому положенні. Я можу спробувати щось нове. Давайте спробуємо щось вперше: я можу взяти диск і покласти його сюди, і поки він сидить тут, не рухайтеся, я спробую перекинути рейку, і, сподіваюся, якщо я зробив це правильно, він залишиться підвішеним.
Це квантова фіксація, а не левітація. Оскільки я дозволяю йому циркулювати трохи довше, дозвольте мені розповісти вам щось про надпровідники. (Сміх) Зараз ми знаємо, що можемо передавати величезну кількість струму за допомогою надпровідників, тому можемо використовувати їх для створення сильних магнітних полів, таких як ті, що потрібні в ЯМР, прискорювачах частинок тощо. Але ми також можемо зберігати енергію, використовуючи надпровідники, оскільки ми не маємо втрат.
Ми могли б виробляти силові кабелі для передачі величезної кількості електроенергії між електростанціями. Уявіть, що ви можете підтримувати одну надпровідну електростанцію. Яке майбутнє квантової левітації та іммобілізації? На це просте запитання я відповім на прикладі. Уявіть собі диск, подібний до того, який у мене тут у руці, діаметром вісім см, з однією різницею. Надпровідний шар, замість того, щоб бути півмікронним, мав би становити два міліметри, досить тонкий. Цей двоміліметровий надпровідний шар міг би витримати 1000 кг невеликої машини. Дивовижний! Дякую!