نصائح

كيف يعمل الرفع الكمومي

كيف يعمل الرفع الكمومي

تُظهر بعض مقاطع الفيديو على الإنترنت شيئًا يُسمى "الارتفاع الكمومي". ما هذا؟ كيف يعمل؟ هل سنتمكن من امتلاك سيارات طيران؟

الإرفاع الكمومي كما يطلق عليه هو عملية يستخدم فيها العلماء خواص فيزياء الكم لرفع الجسم (على وجه التحديد ، موصل فائق) على مصدر مغناطيسي (وتحديداً مسار رفع الكم المصمم لهذا الغرض).

علم رفع الكم

والسبب في ذلك هو ما يسمى تأثير ميسنر وتعلق التمويه المغناطيسي. يفرض تأثير مايسنر أن الموصل الفائق في المجال المغنطيسي سوف يطرد دائمًا الحقل المغنطيسي بداخله ، وبالتالي ينحني المجال المغنطيسي المحيط به. المشكلة هي مسألة التوازن. إذا وضعت للتو موصلًا فائقًا فوق مغناطيس ، فإن الموصل الفائق يطفو خارج المغناطيس ، تمامًا مثل محاولة موازنة أقطاب مغنطيسية جنوبية من مغناطيس الأعمدة مقابل بعضها البعض.

تصبح عملية الارتقاء الكمومي أكثر إثارة للاهتمام من خلال عملية تثبيت التدفق ، أو قفل الكم ، كما وصفته مجموعة الموصلات الفائقة بجامعة تل أبيب بهذه الطريقة:

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي كذا لا يحبون بعضهم البعض. عندما يكون ذلك ممكنًا ، فإن الموصل الفائق سيطرد كل المجال المغناطيسي من الداخل. هذا هو تأثير ميسنر. في حالتنا ، نظرًا لأن الموصل الفائق رقيق للغاية ، فإن المجال المغناطيسي لا يخترق. ومع ذلك ، فإنه يفعل ذلك بكميات منفصلة (وهذا هو فيزياء الكم بعد كل شيء!) تسمى أنابيب التدفق. داخل كل الموصلية المغناطيسية لأنبوب التدفق يتم تدميرها محليا. سيحاول الموصل الفائق إبقاء الأنابيب المغناطيسية مثبتة في المناطق الضعيفة (مثل حدود الحبوب). ستؤدي أي حركة مكانية للموصل الفائق إلى تحرك أنابيب التدفق. من أجل منع بقاء الموصل الفائق "محاصرين" في الجو. تمت صياغة مصطلحي "الكم الكمالي" و "القفل الكمومي" لهذه العملية من قبل عالم الفيزياء في جامعة تل أبيب جاي دويتشر ، أحد الباحثين الرئيسيين في هذا المجال.

تأثير ميسنر

دعونا نفكر في ما هو الموصل الفائق حقًا: إنها مادة يمكن للإلكترونات أن تتدفق فيها بسهولة بالغة. تتدفق الإلكترونات عبر الموصلات الفائقة دون أي مقاومة ، لذلك عندما تقترب الحقول المغناطيسية من مادة الموصلات الفائقة ، فإن الموصلات الفائقة تشكل تيارات صغيرة على سطحها ، مما يلغي المجال المغناطيسي الوارد. والنتيجة هي أن شدة المجال المغناطيسي داخل سطح الموصل الفائق هي بالضبط صفر. إذا قمت بتعيين خطوط المجال المغنطيسي الصافي فستظهر أنها تنحني حول الكائن.

ولكن كيف هذا يجعله يرتفع؟

عندما يتم وضع الموصل الفائق على مسار مغناطيسي ، فإن التأثير هو أن الموصل الفائق يبقى فوق المسار ، ويتم دفعه أساسًا بواسطة المجال المغنطيسي القوي مباشرة على سطح المسار. هناك حد لمدى أبعد من المسار يمكن دفعه ، بطبيعة الحال ، لأن قوة التنافر المغناطيسي يجب أن تتصدى لقوة الجاذبية.

سيوضح قرص الموصل الفائق من النوع الأول تأثير Meissner في أكثر إصداراته تطرفًا ، والذي يُسمى "المغناطيسية المزدوجة المثالية" ، ولن يحتوي على أي حقول مغناطيسية داخل المادة. سوف يرتفع ، لأنه يحاول تجنب أي اتصال مع المجال المغناطيسي. المشكلة في هذا هو أن الرفع غير مستقر. الكائن الروافع لن يبقى في مكانه. (هذه العملية نفسها كانت قادرة على رفع الموصلات الفائقة داخل مغناطيس رصاص مقعر ، على شكل وعاء ، حيث يدفع المغناطيسية بالتساوي من جميع الجوانب.)

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

أنابيب التدفق

أحد العناصر الرئيسية لعملية قفل الكم هو وجود أنابيب التدفق هذه ، والتي تسمى "الدوامة". إذا كان الموصل الفائق رقيقًا جدًا ، أو إذا كان الموصل الفائق موصلًا فائقًا من النوع الثاني ، فتكلفة الموصل الفائق أقل طاقة للسماح لبعض المجال المغناطيسي باختراق الموصل الفائق. لهذا السبب تتشكل دوامات التدفق ، في المناطق التي يكون فيها المجال المغناطيسي قادرًا على "اختراق" الموصل الفائق.

في الحالة التي وصفها فريق تل أبيب أعلاه ، تمكنوا من إنتاج فيلم رقيق من السيراميك على سطح رقاقة. عندما يتم تبريده ، فإن هذه المواد الخزفية عبارة عن موصل فائق من النوع الثاني. نظرًا لأنها رقيقة جدًا ، فإن المغناطيسية المزدوجة المعروضة ليست مثالية ... مما يسمح بإنشاء دوامات التدفق هذه التي تمر عبر المادة.

يمكن أن تتشكل دوامات التدفق أيضًا في الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، حتى لو لم تكن مادة الموصلات الفائقة رقيقة جدًا. يمكن تصميم الموصل الفائق من النوع الثاني لتعزيز هذا التأثير ، والذي يطلق عليه "تثبيت التمويه المحسن".

قفل الكم

عندما يخترق الحقل الموصل الفائق في شكل أنبوب التدفق ، فإنه يغلق الموصل الفائق في تلك المنطقة الضيقة بشكل أساسي. صور كل أنبوب على أنه منطقة غير فائقة التوصيل داخل منتصف الموصل الفائق. إذا تحرك الموصل الفائق ، فإن دوامات التدفق ستتحرك. تذكر شيئين ، على الرغم من:

  1. دوامات التدفق هي المجالات المغناطيسية
  2. سيقوم الموصل الفائق بإنشاء تيارات لمواجهة الحقول المغناطيسية (أي تأثير ميسنر)

إن مادة الموصلات الفائقة ذاتها ستخلق قوة لمنع أي نوع من الحركة فيما يتعلق بالمجال المغناطيسي. إذا قمت بإمالة الموصل الفائق ، على سبيل المثال ، فستقوم "بتثبيته" أو "احتجازه" في هذا الموضع. سوف يدور حول مسار كامل بنفس زاوية الميل. إن عملية قفل الموصل الفائق في مكانه حسب الطول والاتجاه تقلل من أي تذبذب غير مرغوب فيه (وهي أيضًا مؤثرة بصريًا ، كما أظهرت ذلك جامعة تل أبيب).

أنت قادر على إعادة توجيه الموصل الفائق داخل المجال المغناطيسي لأن يدك يمكن أن تستخدم قوة وطاقة أكبر بكثير مما يمارسه الحقل.

أنواع أخرى من رفع الكم

تعتمد عملية الرفع الكمومي الموصوفة أعلاه على التنافر المغناطيسي ، ولكن هناك طرقًا أخرى للرافعة الكمومية التي تم اقتراحها ، بما في ذلك بعض الأساليب القائمة على تأثير Casimir. مرة أخرى ، هذا ينطوي على بعض التلاعب الفضولي بالخصائص الكهرومغناطيسية للمادة ، لذلك يبقى أن نرى مدى كونها عملية.

مستقبل الرفع الكمى

لسوء الحظ ، فإن الشدة الحالية لهذا التأثير هي أنه لن يكون لدينا سيارات طيران لبعض الوقت. كما أنه يعمل فقط على مجال مغناطيسي قوي ، مما يعني أننا سنحتاج إلى إنشاء طرق مسارات مغناطيسية جديدة. ومع ذلك ، هناك بالفعل القطارات المغنطيسى في آسيا التي تستخدم هذه العملية ، بالإضافة إلى القطارات الكهرومغناطيسية التقليدية (maglev) القطارات.

تطبيق مفيد آخر هو إنشاء محامل الاحتكاك حقا. ستكون المحامل قادرة على الدوران ، لكن سيتم تعليقها دون ملامسة جسدية مباشرة مع السكن المحيط بحيث لا يكون هناك أي احتكاك. سيكون هناك بالتأكيد بعض التطبيقات الصناعية لهذا ، وسوف نبقي أعيننا مفتوحة ل عندما تصل الأخبار.

رفع الكم في الثقافة الشعبية

على الرغم من أن مقطع فيديو YouTube الأولي حصل على الكثير من اللعب على التلفزيون ، كان من أوائل مظاهر الثقافة الشعبية للرافعة الكمية الحقيقية في 9 نوفمبر من ستيفن كولبرت تقرير كولبيرت، كوميديا ​​الوسطى الساخرة السياسية عرض النقاد. جلب كولبرت العالم الدكتور ماثيو س. سوليفان من قسم الفيزياء في كلية إيثاكا. أوضح كولبير لجمهوره العلوم الكامنة وراء الارتفاع الكمومي بهذه الطريقة:

كما أنا متأكد من أنك تعرف ، فإن الارتفاع الكمومي يشير إلى الظاهرة التي يتم فيها تثبيت خطوط التدفق المغناطيسي التي تتدفق عبر موصل فائق من النوع الثاني في مكانها على الرغم من القوى الكهرومغناطيسية التي تعمل عليها. لقد تعلمت أنه من داخل غطاء Snapple ، ثم شرع في رفع فنجان صغير من نكهة الآيس كريم من ستيفن كولبيرت. لقد كان قادرًا على فعل ذلك لأنهم وضعوا قرصًا فائق الموصل داخل قاع كوب الآيس كريم. (آسف للتخلي عن الشبح ، كولبيرت. شكرا للدكتور سوليفان على التحدث معنا عن العلم وراء هذا المقال!)


شاهد الفيديو: شاهد: كيف يعمل الرفع المغناطيسي الكمومي (أغسطس 2021).