量子浮揚のしくみ
量子浮揚は物体を浮かせたり飛ばしたりできる
中国のシャンガイにあるこのようなリニアモーターカーは、本質的に磁場のために飛行または浮揚します。
ヤオルシェン/ゲッティイメージズ
インターネット上のいくつかのビデオは、「量子浮揚」と呼ばれるものを示しています。これは何ですか？それはどのように機能しますか？私たちは空飛ぶ車を手に入れることができるでしょうか？
いわゆる量子浮揚は、科学者が次の特性を利用するプロセスです。 量子物理学 オブジェクトを浮揚させる (具体的には、 超伝導体 ) 以上 磁気源 (具体的には、この目的のために設計された量子浮揚トラック)。
量子浮揚の科学
これが機能する理由は、 マイスナー効果 そして磁束ピンニング。マイスナー効果は、磁場内の超伝導体が常にその内部の磁場を追い出し、その周囲の磁場を曲げることを示しています。問題はバランスの問題です。超伝導体を磁石の上に置くと、超伝導体は磁石から浮き上がり、棒磁石の 2 つの南磁極のバランスをとろうとするようなものになります。
量子浮揚プロセスは、テルアビブ大学の超伝導体グループによって次のように説明されているように、フラックスピンニングまたは量子ロックのプロセスを通じてはるかに興味深いものになります。
超伝導と磁場 [原文のまま] は、お互いに好きではありません。可能であれば、超伝導体は内部からすべての磁場を追い出します。これがマイスナー効果です。私たちの場合、超伝導体は非常に薄いため、磁場は貫通します。ただし、それは離散量で行われます (これは 量子物理学 結局！ ) フラックス チューブと呼ばれます。各磁束管の内部では、超伝導が局所的に破壊されます。超伝導体は、磁気チューブを弱い領域 (粒界など) に固定しようとします。超伝導体が空間的に移動すると、フラックス チューブが移動します。超伝導体が空中に「閉じ込められた」ままになるのを防ぐために、「量子浮揚」と「量子ロック」という用語は、この分野の主要な研究者の 1 人であるテルアビブ大学の物理学者である Guy Deutscher によってこのプロセスのために造られました。
マイスナー効果
超伝導体とは何かを考えてみましょう。超伝導体は、電子が非常に流れやすい物質です。電子は超伝導体の中を無抵抗で流れるため、磁場が超伝導体に近づくと、超伝導体はその表面に小さな電流を形成し、入ってくる磁場を相殺します。その結果、超伝導体の表面内部の磁場強度は正確にゼロになります。正味の磁力線をマッピングすると、それらがオブジェクトの周りで曲がっていることがわかります。
しかし、これはどのようにして浮揚するのでしょうか?
超伝導体が磁気トラック上に配置されると、超伝導体はトラックの上にとどまり、トラックの表面の強い磁場によって本質的に押しのけられます。もちろん、トラックからどれだけ上に押すことができるかには制限があります。これは、磁気反発の力が 重力 .
タイプ I 超伝導体のディスクは、「完全な反磁性」と呼ばれる最も極端なバージョンでマイスナー効果を示し、材料内に磁場を含まない.磁場との接触を避けようとするため、浮揚します。これに関する問題は、浮上が安定しないことです。通常、浮揚する物体はその場にとどまることはありません。 (これと同じプロセスで、凹んだ椀型の鉛磁石内で超伝導体を浮揚させることができた。この磁石では、磁気がすべての面を均等に押している。)
有用であるためには、浮揚をもう少し安定させる必要があります。そこで量子ロックの出番です。
フラックスチューブ
量子ロック プロセスの重要な要素の 1 つは、「渦」と呼ばれるフラックス チューブの存在です。超伝導体が非常に薄い場合、または超伝導体がタイプ II 超伝導体である場合、磁場の一部を超伝導体に浸透させるために超伝導体にかかるエネルギーは少なくなります。そのため、磁場が事実上超伝導体を「すり抜ける」ことができる領域で、磁束渦が形成されます。
上記のテルアビブのチームが説明したケースでは、彼らはウェーハの表面に特殊な薄いセラミック膜を成長させることができました.冷却すると、このセラミック材料はタイプ II 超伝導体になります。非常に薄いため、示される反磁性は完全ではありません...材料を通過するこれらの磁束渦の作成を可能にします.
超伝導体材料がそれほど薄くなくても、磁束渦はタイプ II 超伝導体でも形成できます。タイプ II 超伝導体は、この効果を高めるように設計することができます。
量子ロック
磁場が磁束管の形で超伝導体に浸透すると、その狭い領域で超伝導体を本質的にオフにします。各チューブを、超伝導体の真ん中にある小さな非超伝導体領域として想像してください。超伝導体が動けば磁束渦も動く。ただし、次の 2 つのことを覚えておいてください。
- 磁束渦は磁場です
- 超伝導体は、磁場に対抗する電流を生成します (つまり、マイスナー効果)。
まさに超伝導体材料自体が、磁場に関連するあらゆる種類の運動を阻害する力を生み出します。たとえば、超伝導体を傾けると、その位置に「ロック」または「トラップ」されます。同じ傾斜角でトラック全体を一周します。このプロセス 超伝導体を所定の位置に固定する 高さと方向によって、望ましくないぐらつきが減少します (テルアビブ大学が示したように、視覚的にも印象的です)。
磁場内で超伝導体の向きを変えることができるのは、磁場が及ぼす力よりもはるかに大きな力とエネルギーを手で加えることができるからです。
他のタイプの量子浮揚
上記の量子浮揚のプロセスは磁気反発に基づいていますが、カシミール効果に基づくものなど、他の量子浮揚の方法が提案されています。繰り返しになりますが、これには材料の電磁特性の興味深い操作が含まれているため、それがどれほど実用的かはまだわかりません.
量子浮揚の未来
残念ながら、現在のこの影響の激しさから、空飛ぶ車はしばらくありません。また、それは強い磁場の上でしか機能しないため、新しい磁気トラック道路を建設する必要があります.しかし、従来の電磁浮上 (マグレブ) 列車に加えて、このプロセスを使用する磁気浮上列車がアジアに既に存在します。
もう 1 つの有用なアプリケーションは、真に摩擦のないベアリングの作成です。ベアリングは回転できますが、周囲のハウジングと直接物理的に接触することなく吊り下げられるため、摩擦が発生しません。これには確かにいくつかの産業用アプリケーションがあり、それらがニュースに出たときに目を光らせておきます.
大衆文化における量子浮揚
最初の YouTube ビデオはテレビで多く再生されましたが、実際の量子浮揚の最も初期のポピュラー カルチャーの 1 つは、Stephen Colbert の 11 月 9 日のエピソードでした。 コルベール・レポート 、コメディ セントラルの風刺的な政治評論家ショー。コルベールは科学者の Dr. マシュー・C・サリバン イサカ大学物理学科出身。コルベールは聴衆に、量子浮揚の背後にある科学を次のように説明しました。
ご存じのとおり、量子浮揚とは、II 型超伝導体を流れる磁束線に電磁力が作用しているにもかかわらず、磁束線が所定の位置に固定される現象を指します。スナップル キャップの内側からそれを学びました。それから彼は、スティーブン コルベールのアメリカン ドリーム アイス クリーム フレーバーのミニ カップを浮かび上がらせました。彼がこれを行うことができたのは、彼らがアイスクリームカップの底に超伝導ディスクを置いていたからです. （幽霊をあきらめてすみません、コルバート。この記事の背後にある科学について話してくれたサリバン博士に感謝します！）