Серія нових дослідів у яскравій та наочній формі демонструє глядачам надзвичайні квантові ефекти. Ширяючі без видимої підтримки предмети - чи можна вигадати щось краще для того, щоб звичайна людина могла «доторкнутись» до квантової фізики?

Вчені з університету Тель-Авіва (Tel Aviv University) поставили кілька експериментів, що виявили незвичайні здатності надпровідників - квантове захоплення (quantum trapping) і квантову левітацію. Фізики досліджували, як поводяться надпровідні тіла у магнітних полях залежно від ряду умов. І ця початково наукова праця породила цікавий прикладний проект Quantum levitation.

При квантовому захопленні, на відміну від звичайного зависання магнітів над надпровідником (чи навпаки), тіло, яке висить, можна зрушити, нахилити, змістити нижче або вище за бажанням. І після того як експериментатор забрав руку, предмет «запам'ятає» нове положення.

Дослідники створили на основі згаданих феноменів захоплюючий набір навчальних і пізнавальних наборів і показали їх з 15 по 18 жовтня 2011 року у Балтіморі на виставці-конференції американської Асоціації науково-технічних центрів (Association of Science-Technology Centers). Одна із цілей асоціації - знайомство у формі гри широкої публіки з новітніми досягненнями науки і залучення мас в обговорення таких інновацій.

На перший погляд, перед нами давним-давно бачені досліди з левітацією предметів, засновані на витісненні магнітного поля надпровідником, тобто на ефекті Мейснера. Але насправді все складніше.

У модифікації «залізниця» надпровідний диск з легкістю літає як над полотном, так і під ним. Аналогічно у досліді зі статичною підвіскою корпус із магнітом можна як завгодно нахиляти і перевертати.

Якщо надпровідник досить тонкий, пояснюють фізики, магнітне поле в основному виштовхується з нього так само, як і при ефекті Мейснера, але у деяких окремих точках воно пронизує матеріал наскрізь, немов «маленькими квантовими порціями». При цьому виникає дивний ланцюжок ефектів.

Ізраїльтяни створили свої літаючі диски із кристалів сапфіра (бралися пластинки товщиною 0,5 міліметра), покритого шаром надпровідної кераміки (оксид ітрія барію міді — YBa₂Cu₃O₇) товщиною близько 1 мікрометра. У надпровідний стан цей матеріал переходить при охолодженні нижче мінус 185°C, для чого використовується рідкий азот. Весь диск упаковується у пластик.Коли цей диск потрапляє у поле від постійного магніту, деякі силові лінії проходять крізь надпровідник - у цих місцях виникають потокові трубки (flux tubes). Всередині кожної такої трубки надпровідність локально руйнується, незважаючи на низьку температуру матеріалу.

Надпровідник допускає існування таких трубок у своїх «найслабших» ділянках, де надпровідність під дією поля руйнується легше, наприклад на границях зерен. Однак будь-який рух надпровідника відносно силових ліній викликає і зсув трубок. Щоб цьому запобігти, весь шматок матеріалу залишається замкненим у повітрі - зрушується разом із джерелом утримуючого його поля.

На відміну від простої магнітної підвіски, що працює або на притягання або на відштовхування залежно від полярності магнітів, квантова левітація байдужа до взаємної орієнтації силових ліній від магніту і сили тяжіння: як не крути зв'язку магніт-надпровідник, вони залишаються нерозлучними, зберігають вихідне взаємне розташування і заданий зазор.

На цьому принципі фізики побудували ряд навчальних комплектів: набори для демонстрації квантового захоплення, демонстратор «квантового підшипника», який працює без тертя, прямолінійні рейки, вздовж яких може ковзати літаючий диск, і, нарешті, закільцьовану магнітну залізницю.

Останні дві іграшки працюють тому, що явище захоплення залежить поміж іншого і від співвідношення розміру диска та магніту. При правильному «малюнку» з магнітиків надпровідний диск, який штовхнули рукою, перескакує від одного магніту до іншого, не падаючи на підлогу.

Експерименти ізраїльтян у лабораторії, а не на виставці виявилися навіть більш ефектними. Їм вдалося домогтися від пари диск-магніт помітно більшого зазору при збереженні явища захоплення.

В іншому експерименті відразу два диски літали на різній висоті над однією і тою ж «залізницею» у протилежних напрямках, не втрачаючи зв'язок із магнітами та не заважаючи один одному. На все це дійсно варто подивитися ближче.

За матеріалами: membrana.ru