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? Далее...

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
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.

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.



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
Израильтяне создали свои летающие диски из кристаллов сапфира (брались пластинки толщиной 0,5 миллиметра), покрытого слоем сверхпроводящей керамики (оксид иттрия бария меди — YBa2Cu3O7-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
Сверхпроводник допускает существование таких трубок в своих самых «слабых» участках, где сверхпроводимость под действием поля разрушается легче, например на границах зёрен.


Создавая свои игрушки для музеев и выставок, физики заодно поставили рекорд по подъёму левитирующего тела на основе сверхпроводимости – более четырёх сантиметров
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.

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
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.