Что такое квантовая левитация

Квантовая левитация (эффект мейснера)

Поразительное видео из университета Тель-Авива, демонстрирующее эффект мейснера, когда сверхпроводник (в данном случае охлажденный жидким азотом) «заперт» в магнитном поле.

К сожалению, пока мы не найдем/создадим сверхпроводник, остающийся таким при обычной температуре, левитирующие автобусы откладываются…

PS: Господа минусующие, почитайте вики. К маглеву это не имеет отношения — здесь используются другие принципы.

PPS: Спасибо ftp27 за еще одно видео от этих же ребят, которое демонстрирует пару дополнительных интересных моментов, таких как огибание препятствия и левитацию двух сверхпроводников.

Квантовая левитация (эффект Мейснера): научное объяснение

Левитация – это преодоление силы тяжести, при которой субъект или объект находится в пространстве без опоры. Слово «левитация» происходит от латинского Levitas, что означает «легкость».

Левитацию неправильно приравнивать к полету, потому что последний основан на сопротивлении воздуха, именно поэтому птицы, насекомые и другие животные летают, а не левитируют.

Левитация в физике

Левитация в физике относится к устойчивому положению тела в гравитационном поле, при этом тело не должно касаться других объектов. Левитация подразумевает некоторые необходимые и труднодостижимые условия:

• Сила, которая способна компенсировать гравитационное притяжение и силу тяжести.
• Сила, которая способна обеспечить устойчивость тела в пространстве.

Из закона Гаусса следует, что в статическом магнитном поле статические тела или объекты не способны к левитации. Однако если сменить условия, то можно достичь левитации.

Квантовая левитация

Широкой публике о квантовой левитации впервые стало известно в марте 1991 года, когда в научном журнале Nature было опубликовано интересное фото. На нем директор Токийской исследовательской лаборатории по сверхпроводимости Дон Тапскотт стоял на керамической сверхпроводящей пластине, а между полом и пластиной не было ничего. Фотография оказалась настоящей, а пластина, которая вместе со стоящим на ней директором весила около 120 килограммов, могла левитировать над полом благодаря эффекту сверхпроводимости, известному как эффект Мейснера-Оксенфельда.

Диамагнитная левитация

Так называют тип пребывания в подвешенном состоянии в магнитном поле тела, содержащего воду, которая сама по себе является диамагнетиком, то есть материалом, атомы которого способны намагничиваться против направления основного электромагнитного поля.

В процессе диамагнитной левитации основную роль играют диамагнитные свойства проводников, атомы которых под действием внешнего магнитного поля слегка изменяют параметры движения электронов в их молекулах, что приводит к появлению слабого магнитного поля, противоположного по направлению основному. Эффекта этого слабого электромагнитного поля достаточно, чтобы преодолеть силу тяжести.

Чтобы продемонстрировать диамагнитную левитацию, ученые многократно проводили опыты на небольших животных.

Этот вид левитации использовался в экспериментах на живых объектах. Во время опытов во внешнем магнитном поле с индукцией около 17 Тесла было достигнуто подвешенное состояние (левитация) лягушек и мышей.

По третьему закону Ньютона, свойства диамагнетиков можно использовать и наоборот, то есть для левитации магнита в поле диамагнетика или для его стабилизации в электромагнитном поле.

Диамагнитная левитация по своей природе идентична квантовой левитации. То есть как и при воздействии эффекта Мейснера, происходит абсолютное вытеснение из материала проводника магнитного поля. Небольшим отличием является лишь то, что для достижения диамагнитной левитации необходимо значительно более сильное электромагнитное поле, однако при этом совершенно не нужно охлаждать проводники, чтобы добиться их сверхпроводимости, как в случае с квантовой левитацией.

В домашних условиях можно даже поставить несколько опытов по диамагнитной левитации, например, при наличии двух пластин висмута (который является диамагнетиком) можно установить в подвешенное состояние магнит с невысокой индукцией, около 1 Тл. Кроме того, в электромагнитном поле с индукцией в 11 Тесла можно стабилизировать в подвешенном состоянии небольшой магнит, регулируя его положение пальцами, при этом совершенно не касаясь магнита.

Часто встречающимися диамагнетиками являются практически все инертные газы, фосфор, азот, кремний, водород, серебро, золото, медь и цинк. Даже человеческое тело является диамагнетиком в правильном электромагнитном магнитном поле.

Магнитная левитация

Магнитная левитация – это эффективный метод поднятия объекта с использованием магнитного поля. В этом случае магнитное давление используется для компенсации силы тяжести и свободного падения.

Согласно теореме Ирншоу, нельзя удерживать объект в гравитационном поле устойчиво. То есть левитация при таких условиях невозможна, однако если принять во внимание механизмы действия диамагнетиков, вихревых токов и сверхпроводников, то можно достичь эффективной левитации.

Если магнитная левитация обеспечивает подъемную силу при механической поддержке, такое явление принято называть псевдолевитацией.

Эффект Мейснера

Эффект Мейснера – это процесс абсолютного вытеснения магнитного поля из всего объема проводника. Обычно это происходит в процессе перехода проводника в сверхпроводящее состояние. Именно этим сверхпроводники отличаются от идеальных – при том, что у обоих сопротивление отсутствует, магнитная индукция идеальных проводников остается неизменной.

Впервые это явление наблюдали и описали в 1933 году двое немецких физиков – Мейснер и Оксенфельд. Именно поэтому иногда квантовую левитацию называют эффектом Мейснера-Оксенфельда.

Из общих законов электромагнитного поля следует, что при отсутствии в объеме проводника магнитного поля в нем присутствует только поверхностный ток, который занимает пространство у поверхности сверхпроводника. При этих условиях сверхпроводник ведет себя так же, как и диамагнетик, при этом таковым не являясь.

Эффект Мейснера разделяют на полный и частичный, в зависимости от качества сверхпроводников. Полный эффект Мейснера наблюдается, когда магнитное поле вытесняется полностью.

Высокотемпературные сверхпроводники

В природе мало чистых сверхпроводников. Большинство их материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости, являются сплавами, у которых чаще всего наблюдается лишь частичный эффект Мейснера.

В сверхпроводниках именно способность полностью вытеснять магнитное поле из своего объема разделяет материалы на сверхпроводники первого и второго типов. Сверхпроводниками первого типа являются чистые вещества, например, ртуть, свинец и олово, способные даже при высоких магнитных полях продемонстрировать полный эффект Мейснера. Сверхпроводники второго типа – чаще всего сплавы, а также керамика или некоторые органические соединения, которые в условиях магнитного поля с высокой индукцией способны лишь на частичное вытеснение магнитного поля из своего объема. Тем не менее в условиях очень малой индукции магнитного поля практически все сверхпроводники, в том числе и второго типа, способны на полный эффект Мейснера.

Известно несколько сотен сплавов, соединений и несколько чистых материалов, обладающих характеристиками квантовой сверхпроводимости.

Опыт «Гроб Магомета»

«Гроб Магомета» – это своеобразный фокус с левитацией. Так называли опыт, наглядно демонстрирующий эффект.

Согласно мусульманской легенде, гроб пророка Магомеда находился в воздухе в подвешенном состоянии, без какой-либо опоры и поддержки. Именно поэтому у опыта такое название.

Научное объяснение опыта

Сверхпроводимость может быть достигнута лишь при очень низких температурах, поэтому сверхпроводник необходимо заранее охладить, например, при помощи высокотемпературных газов, таких как жидкий гелий или жидкий азот.

Затем на поверхность плоского охлажденного сверхпроводника помещают магнит. Даже в полях с минимальной магнитной индукцией, не превышающей 0,001 Тесла, магнит поднимается вверх над поверхностью сверхпроводника примерно на 7-8 миллиметров. Если постепенно увеличивать индукцию магнитного поля, расстояние между поверхностью сверхпроводника и магнитом будет увеличиваться все больше и больше.

Магнит буде продолжать левитировать до того момента, пока внешние условия не изменятся и сверхпроводник не потеряет свои сверхпроводящие характеристики.

LK-99 — сверхпроводимость при комнатной температуре?

Возможно, корейскими учеными был создан сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Если это открытие подтвердится — это очень, очень изменит мир! Публикации на сайте arXiv были выложены 28 июля 2023 года, вместе с видео, якобы, демонстрирующим эффект Мейснера в образце. Под катом — часть того, что сейчас об этом известно.

Что такое сверхпроводимость и зачем она нам нужна

Это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

При понижении температуры сопротивление всех металлов снижается, и это давно известный эффект. Но, в 1911 году, после того, как удалось получить жидкий гелий (кипящий всего при 4 градусах выше абсолютного нуля), обнаружилось, что у некоторых металлов при охлаждении до таких температур сопротивление скачком снижается до нуля. Что важно — не почти до нуля, а именно до строгого нуля. Это значит, что сверхпроводник любой длины будет иметь нулевое сопротивление и нулевые потери энергии на нагрев при прохождении через него тока.

Использовать этот эффект для передачи электроэнергии не очень удобно — нужно поддерживать весь кабель при крайне низкой температуре, на поддержание которой может уходить больше энергии, чем рассеялось бы в обычном кабеле. Поэтому сверхпроводящие провода существуют, но имеют ограниченное применение, а на мачтах ЛЭП в большинстве своем мы используем всю ту же обычную медь обычные алюминий и сталь, спасибо поправившему мою ошибку человеку.

Зато это позволило создать мощные и компактные электромагниты и очень сильные магнитные поля, практически недостижимые без сверхпроводимости. В частности, всем известные аппараты МРТ в основном используют сверхпроводящие электромагниты.

Эффект Мейснера и левитация

Эффект Мейснера в сверхпроводниках — это явление, при котором сверхпроводник полностью выталкивает из себя магнитное поле. По сути, сверхпроводник ведет себя, как идеальный диамагнетик (хотя механизмы этих явлений разные). Диамагнетики — это материалы, которые в присутствии внешнего магнитного поля намагничиваются в обратном этому полю направлении (и отталкивая внешнее поле). Это позволяет диамагнетикам (или сверхпроводникам) левитировать в сильном поле.

Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, что и вызывает левитацию. Эффект работает и наоборот — сверхпроводник может левитировать над магнитом.

Высокотемпературная сверхпроводимость

После открытия сверхпроводимости начались исследования критической температуры разных металлов и сплавов в поисках такого, для которого не требуется использование дорогого и сложного в обращении жидкого гелия.

Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La_2-xBa_xCuO₄ с критической температурой 35 К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году, за это открытие в 1987 году им была присуждена Нобелевская премия.

В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).

Как видно на картинке выше, до комнатной температуры при атмосферном давлении очень далеко. Требуются или экстремально высокие давления, или температуры жидкого азота как минимум.

Важно заметить, что хорошего теоретического объяснения высокотемпературной сверхпроводимости все еще нет (классической — есть).

Вопрос о том, как возникает сверхпроводимость в высокотемпературных сверхпроводниках, является одной из основных нерешенных проблем теоретической физики конденсированного состояния. Механизм, который заставляет электроны в этих кристаллах образовывать пары, неизвестен. Несмотря на интенсивные исследования и множество многообещающих зацепок, объяснение до сих пор ускользало от ученых. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы, как правило, представляют собой очень сложные многослойные кристаллы, что затрудняет теоретическое моделирование.

LK-99

22-29 июля 2023 года на сайте с препринтами научных работ arXiv.org появились две статьи:

• [2307.12008] The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor (arxiv.org)
• [2307.12037] Superconductor Pb$_$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism (arxiv.org)

Вот что пишут исследователи:

Впервые в мире нам удалось синтезировать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре (Tc≥400 K, 127∘C) и атмосферном давлении, с модифицированной структурой свинцового апатита (LK-99). Сверхпроводимость LK-99 подтверждена такими характеристиками, как критическая температура (Tc), нулевое сопротивление, критический ток (Ic), критическое магнитное поле (Hc) и эффект Мейсснера. Сверхпроводимость LK-99 происходит из-за небольшой деформации структуры, вызванной слегка уменьшившимся объемом (0,48 %), а не внешними факторами, такими как температура и давление. Это уменьшение объема вызвано замещением ионов Cu2+ на ионы Pb2+(2), изолированные атомами фосфата свинца, что вызывает напряжение. Это напряжение передается цилиндрической колонне атомов Pb(1), что приводит к искажению структуры цилиндрической колонны и созданию сверхпроводящих квантовых ям (SQWs). Результаты измерения теплоемкости указывают на то, что новая модель подходит для объяснения сверхпроводимости LK-99.

А что с подтверждениями?

В науке главное — воспроизводимость результатов, ведь наукообразную статью может написать кто угодно. Обычно ученые скептично относятся к таким «прорывным изобретениям», так как в 99% случаев они оказываются ошибкой или намеренной ложью.

Но в данном случае эффект привлек внимание, и его проверкой занимаются многие лаборатории, институты и энтузиасты. Есть и негативные результаты, и частично позитивные — продемонстрирована левитация, но не непосредственно сверхпроводимость.

Стоит заметить, что левитация не обязательно доказывает сверхпроводимость — в очень сильных магнитных полях левитирует даже лягушка, так что материал может оказаться просто хорошим диамагнетиком.

Синтез и магия

Предложенный авторами метод синтеза очень прост и доступен практически кому угодно.

1. Смешиваем порошки оксида свинца и сульфата свинца, нагреваем в вакуумированной ампуле 24 часа при температуре 725 градусов.
2. Смешиваем порошки меди и фосфора, нагреваем в вакуумированной ампуле 48 часов при температуре 550 градусов.
3. Делаем порошки из полученного на предыдущих этапах, смешиваем, нагреваем в вакуумированной ампуле 5-20 часов при температуре 925 градусов.

Первые два этапа синтеза тривиальны. «Магия» происходит на третьем этапе, и точные параметры удачного синтеза неизвестны, что и показывает нестабильность результатов сейчас.

Неизвестно ни идеальное соотношение смесей, ни температура, ни время. Иногда упоминается, что удачный образец получился в треснувшей на каком-то этапе нагрева ампуле, вызвавшем попадание кислорода.

Исходя из весьма грубого способа синтеза (а именно — допирования атомами меди просто нагревом смеси) и теоретических предположений, возможно, что нужная кристаллическая структура, поддерживающая сверхпроводимость, образуется только в незначительной части образца. В таком случае левитация возможна, а вот сверхпроводимость напрямую измерить не удастся.

Как оно работает?

Неизвестно. Но начинают появляться первые теоретические идеи.

Моделирование Национальной лаборатории Беркли подтверждает, что структура LK-99 может поддерживать и обеспечивать сверхпроводимость. Однако, эта работа опирается на множество допущений и не доказывает наличие сверхпроводимости сама по себе.

Моделирование показало то, что, по предложению оригинальных корейских авторов, происходило с их материалом — атомы меди просачивались в кристаллическую структуру и заменяли атомы свинца, заставляя кристалл слегка напрягаться и сжиматься на 0,5%.

Оказывается, существуют пути проводимости для электронов, которые находятся в правильных условиях и местах, которые позволили бы им «сверхпроводимость». В частности, они были близки к «поверхности Ферми», которая похожа на уровень моря электрической энергии, например, «0 метров над уровнем моря». В настоящее время считается, что чем больше путей проводимости близко к поверхности Ферми, тем выше температура, при которой вы можете наблюдать сверхпроводимость (аналогия может заключаться в том, как самолетам легче летать близко к поверхности океана из-за «экранного эффекта», который дает им большую подъемную силу).

Получится?

С одной стороны, никаких теоретических запретов на существование сверхпроводимости при комнатной температуре — нет, как нет и нарушения фундаментальных законов физики. Это выглядит реалистичнее, чем холодный ядерный синтез или Em-Drive.

С другой стороны, к исходным публикациям у ученых много вопросов, хорошей теории — нет, качественных воспроизведений опытов — тоже нет. Низкое электрическое сопротивление образца пока нигде не подтверждено. И вообще, слишком просто?

Еще можно вспомнить историю изобретения транзисторов, когда долгое время вроде бы что-то проявлялось, но нестабильно, не всегда, не совсем понятно, как. И первым был изобретен биполярный транзистор в попытках создать полевой, при довольно слабой теоретической модели и через множество практических экспериментов. И только потом стало понятно, как оно работает и как создавать транзисторы серийно.

Что еще почитать

• Исходные статьи: [2307.12008] The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor (arxiv.org)[2307.12037] Superconductor Pb$_$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism (arxiv.org)
• Википедия: LK-99 — Википедия (wikipedia.org)
• Твиттер X по тегу #LK99
• Сайт Energy | NextBigFuture.com
• Форум с обновляемым списком подтверждений Claims of Room Temperature and Ambient Pressure Superconductor | Page 11 | SpaceBattles

Эффект Мейснера и квантовая левитация

Эффект Мейснера означает полное вытеснение внешнего магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.

Эффект Мейснера и квантовая левитация:

Эффект Мейснера был назван по имени первооткрывателя – Вальтерса Фрица Мейснера. Впервые данное явление экспериментально наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Вальтерсом Фрицем Мейснером и Робертом Оксенфельдом.

Эффект Мейснера означает полное вытеснение внешнего магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю. В поверхностном слое сверхпроводника действуют незатухающие электрические токи, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Полный эффект Мейснера наблюдается не у всех сверхпроводников. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а проявляющие частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc₁ – Hc₂ проникает внутрь и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc₁) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.

Полный эффект Мейснера наблюдается у чистых веществ. Но их количество немногочисленно. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов. У них (сплавов) не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма, т.е. наблюдается частичный эффект Мейснера.

Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника. Внешнее магнитное поле выталкивается из сверхпроводника как раз магнитным полем, создаваемым электрическим током, циркулирующим в его поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Этот электрический ток в поверхностном слое создает магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне, не позволяя ему проникнуть внутрь. При достижении магнитным полем критического значения оно полностью проникает через глубину проникновения и захватывает весь сверхпроводник.

Рис. 1. Схема эффекта Мейснера

На схеме показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося ниже своей критической температуры Т_с, при температуре окружающей среды Т.

Глубина проникновения (также именуется лондоновской глубиной проникновения, была названа в честь братьев Лондон) – это расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения является функцией температуры, прямо пропорционально ей и различна в разных материалах.

Если взять сверхпроводник (соответственно предварительно охлажденный), а потом поднести к нему мощный магнит, то такой сверхпроводник образует свое собственное магнитное поле, схожее по силе с полем магнита. В результате магнитные поля сверхпроводника и магнита выталкивают друг друга и магнит спокойно левитирует – парит над сверхпроводником. Данный эксперимент является наглядной демонстрацией эффекта Мейснера и именуется квантовой левитацией (либо в некоторых научных источниках – эффектом Мейснера). Соответственно наоборот, если поместить сверхпроводник над магнитом, то сверхпроводник благодаря действию эффекта Мейснера также будет парить – левитировать над магнитом.

Магнитное поле буквально «хватает» сверхпроводник и цепко «держит» его в любом положении, в котором бы он не находился изначально: над или под магнитом. В полях, магнитная индукция которых составляет 0,001 Тл , заметно смещение магнита или сверхпроводника вверх на расстояние порядка одного сантиметра. При увеличении магнитного поля вплоть до критического магнит или сверхпроводник поднимается всё выше.

Можно не только просто стационарно удержать сверхпроводник или магнит в нужном положении в воздухе, но и заставить сверхпроводник двигаться над и даже под магнитными «рельсами» с высокой скоростью. При этом сверхпроводник двигается только в том направлении, в каком магнитное поле магнита остаётся неизменным. Явление это еще получило название «квантовый замок».

Как только температура сверхпроводника становится выше критической, то он перестаёт парить.

Обычно, в опыте по квантовой левитации используется сверхпроводник 2-го рода. Это обуславливается тем, что своей критической температуры он достигает при помощи более дешёвого жидкого азота (имеющего температуру ниже -195,795 °C), а не более дорогого жидкого гелия (имеющего температуру ниже -268,928 °C).