Сверхпроводник в магнитном поле. Эксперимент.

Ховерборд

Ховерборд. Источник: 3dnews.ru

А помните фильм 1985 года «Назад в будущее»? В нем главный герой рассекал на скользящем по воздуху скейте. Когда появится возможность переводить материалы без охлаждения в сверхпроводящее состояние, тогда такой «ховерборд» станет реальностью и мы сможем ездить по воздуху. Эффект, благодаря которому это станет возможным, называется «магнитной подушкой» и в этой статье мы попытаемся подробно его разобрать. Для лучшего понимания явления стоит проглядеть предыдущую статью "Сверхпроводник в магнитном поле".

Давайте пронаблюдаем интереснейший опыт по левитации кусочка сверхпроводника над поверхностью магнита. Данное видео взято с канала «Простая наука», где можно найти и множество других любопытных экспериментов.

Во время учебы в институте мне показывали этот опыт и называли его «Гробом Магомета». Интересно, что такое название уходит корнями в предание, в котором говорится, что гроб с телом пророка Магомета висел в воздухе без всякой поддержки. Сам опыт производит довольно сильное впечатление.

Итак, берется магнит, сверхпроводник и жидкий азот.

Опыт со сверхпроводником.

Опыт со сверхпроводником в магнитном поле.

Жидкий азот нужен только для того, чтобы охладить сверхпроводник до температуры ниже критической, чтобы наблюдался полный эффект Мейсснера. Что касается магнита, то вместо него можно использовать и немагнитные вещества, такие как парамагнетики (притягиваются внешним магнитом) и диамагнетики (отталкиваются внешним магнитом), добавив внешнее магнитное поле. Например, вода (диамагнетик), так же способна парить, но для этого потребуется внешнее магнитное поле, причем довольно сильное. Почему мы вдруг заговорили о воде? Да потому что живые существа более чем на 70% состоят из нее! И тут нельзя не вспомнить про интересный опыт Нобелевского лауреата Андрея Гейма про левитацию лягушки в магнитном поле. За нее он, кстати, получил в свое время Шнобелевскую премию.

Шнобелевская премия

Эксперимент, за который Андрей Гейм получил Шнобелевскую премию. (Источник)

 

Вернемся к нашему опыту:

Кладем магнит на сверхпроводник, у которого поле выталкивается из объема, и отталиваясь от сверхпроводника магнит просто парит над поверхностью. Магнит пытается упасть, но сверхпроводник в таком состоянии, что для магнита он воспринимается точно таким же «магнитом» и с той же полярностью. Он как будто создал зеркальное отражение и настоящий магнит отталкивается от него, иначе говоря, левитирует. Значит, мы можем поднимать с земли тяжелые предметы за счет отталкивания одноименных полюсов магнитов!

Этот эффект можно применить, например, для поездов, которые удерживаются над землей на отталкивающихся магнитах, так называемой «магнитной подвеске». При этом поезду не нужно совершать работу по преодолению трения, а, следовательно он может развить необыкновенные скорости! Такой коммерческий скоростной поезд на магнитной подвеске был запущен в Шанхае и его скорость достигает 431 км/ч, а похожий японский поезд "Маглев" разгоняется до 581км/ч! Правда, пока что, они работают на электромагнитах, но в будущем сверхпроводимость может занять и эту нишу.

Маглев - японский поезд на магнитной подушке.

Маглев - японский поезд на магнитной подушке. Источник

При подаче небольших магнитных полей все равно магнит заметно поднимается над поверхностью и, чем сильнее поле, тем выше он висит! Но.. У всего есть свои пределы, и, к сожалению или к счастью, мы не можем бесконечно увеличивать прикладываемое магнитное поле, так как существуют так называемые критические поля, которые переводят сверхпроводник в "нормальное" состояние с конечным сопротивлением. Подробнее об этом поговорим как-нибудь в другой раз.

В конце добавлю еще один интересный эксперимент, который называется «квантовой ловушкой».

В Тель-Авивском университете группа ученых рассмотрела очень тонкую (500 мкм = 0,0005 метра) подложку из кристалла сапфира, которую покрыли слоем керамического материала и охладили жидким азотом до -185 градусов. Так вот, этот проводник был настолько тонкий, что магнитное поле проникало в него даже после охлаждения! Но происходит это в очень маленьких количествах, причем дискретных. Иначе говоря магнитное поле проталкивается через проводник определенными «порциями». Те части магнитного поля, которым удалось пробиться сквозь этот сверхпроводник, становятся своего рода «каналами потока». Пробитые такими магнитными "каналами" участки образца сверхпроводника переходят в нормальное состояние, что заставляет сверхпроводник пытаться сохранять их закрепленными в малых областях.

Квантовая ловушка

Таким образом, любое перемещение сверхпроводника заставляет каналы потока перемещаться и, чтобы предотвратить это, сверхпроводник остается "пойманным в ловушку" в воздушном пространстве. Этот эффект и называется "квантовой ловушкой".

Комментарии: