Comment fonctionne la lévitation quantique

Certaines vidéos sur Internet montrent quelque chose appelé «lévitation quantique». Qu'est-ce que c'est? Comment ça marche? Pourrons-nous avoir des voitures volantes?

La lévitation quantique, comme on l'appelle, est un processus où les scientifiques utilisent les propriétés la physique quantique pour faire léviter un objet (en particulier, un supraconducteur) au cours d'une source magnétique (spécifiquement une piste de lévitation quantique conçue à cet effet).

La raison pour laquelle cela fonctionne est quelque chose appelé Effet Meissner et épinglage de flux magnétique. L'effet Meissner dicte qu'un supraconducteur dans un champ magnétique expulsera toujours le champ magnétique à l'intérieur de celui-ci et pliera ainsi le champ magnétique autour de lui. Le problème est une question d'équilibre. Si vous venez de placer un supraconducteur au-dessus d'un aimant, le supraconducteur flotterait simplement l'aimant, un peu comme essayer d'équilibrer deux pôles magnétiques sud d'aimants à barres l'un contre l'autre autre.

Le processus de lévitation quantique devient beaucoup plus intriguant grâce au processus d'épinglage de flux, ou verrouillage quantique, comme décrit par le groupe supraconducteur de l'Université de Tel Aviv de cette manière:

La supraconductivité et le champ magnétique [sic] ne s'aiment pas. Lorsque cela est possible, le supraconducteur expulsera tout le champ magnétique de l'intérieur. C'est l'effet Meissner. Dans notre cas, comme le supraconducteur est extrêmement mince, le champ magnétique pénètre. Cependant, il le fait en quantités discrètes (c'est la physique quantique après tout! ) appelés tubes de flux. À l'intérieur de chaque tube de flux magnétique, la supraconductivité est détruite localement. Le supraconducteur tentera de maintenir les tubes magnétiques épinglés dans les zones faibles (par exemple, les joints de grains). Tout mouvement spatial du supraconducteur entraînera le déplacement des tubes de flux. Afin d'éviter que le supraconducteur reste "piégé" dans les airs. Les termes «lévitation quantique» et «verrouillage quantique» ont été inventés pour ce processus par le physicien de l'Université de Tel Aviv, Guy Deutscher, l'un des principaux chercheurs dans ce domaine.

Réfléchissons à ce qu'est réellement un supraconducteur: c'est un matériau dans lequel les électrons peuvent circuler très facilement. Les électrons traversent les supraconducteurs sans résistance, de sorte que lorsque les champs magnétiques se matériau supraconducteur, le supraconducteur forme de petits courants à sa surface, annulant l'entrée champ magnétique. Le résultat est que l'intensité du champ magnétique à l'intérieur de la surface du supraconducteur est précisément nulle. Si vous cartographiez les lignes du champ magnétique net, cela montrerait qu'elles se courbent autour de l'objet.

Mais comment cela fait-il léviter?

Lorsqu'un supraconducteur est placé sur une piste magnétique, l'effet est que le supraconducteur reste au-dessus de la piste, essentiellement repoussé par le fort champ magnétique juste au niveau de la piste surface. Il y a une limite à quelle distance au-dessus de la piste, il peut être poussé, bien sûr, car la puissance de la répulsion magnétique doit contrer la force de la gravité.

Un disque d'un supraconducteur de type I démontrera l'effet Meissner dans sa version la plus extrême, qui est appelé "diamagnétisme parfait", et ne contiendra aucun champ magnétique à l'intérieur du Matériel. Il va léviter, car il essaie d'éviter tout contact avec le champ magnétique. Le problème est que la lévitation n'est pas stable. L'objet en lévitation ne restera normalement pas en place. (Ce même processus a pu faire léviter des supraconducteurs dans un aimant en plomb concave en forme de bol, dans lequel le magnétisme pousse de manière égale de tous les côtés.)

Pour être utile, la lévitation doit être un peu plus stable. C'est là que le verrouillage quantique entre en jeu.

L'un des éléments clés du processus de verrouillage quantique est l'existence de ces tubes de flux, appelés «vortex». Si un supraconducteur est très mince, ou si le supraconducteur est un supraconducteur de type II, cela coûte moins d'énergie au supraconducteur pour permettre à une partie du champ magnétique de pénétrer dans le supraconducteur. C'est pourquoi les tourbillons de flux se forment, dans les régions où le champ magnétique est en effet capable de "glisser" dans le supraconducteur.

Dans le cas décrit par l'équipe de Tel Aviv ci-dessus, ils ont pu faire pousser un mince film céramique spécial sur la surface d'une plaquette. Une fois refroidi, ce matériau céramique est un supraconducteur de type II. Parce qu'il est si mince, le diamagnétisme exposé n'est pas parfait... permettant la création de ces tourbillons de flux traversant le matériau.

Des tourbillons de flux peuvent également se former dans les supraconducteurs de type II, même si le matériau supraconducteur n'est pas aussi fin. Le supraconducteur de type II peut être conçu pour améliorer cet effet, appelé «épinglage de flux amélioré».

Lorsque le champ pénètre dans le supraconducteur sous la forme d'un tube de flux, il désactive essentiellement le supraconducteur dans cette région étroite. Imaginez chaque tube comme une minuscule région non supraconductrice au milieu du supraconducteur. Si le supraconducteur se déplace, les tourbillons de flux se déplaceront. Rappelez-vous cependant deux choses:

1. les tourbillons de flux sont des champs magnétiques
2. le supraconducteur créera des courants pour contrer les champs magnétiques (c'est-à-dire l'effet Meissner)

Le matériau très supraconducteur lui-même créera une force pour inhiber toute sorte de mouvement par rapport au champ magnétique. Si vous inclinez le supraconducteur, par exemple, vous le "verrouillerez" ou le "piégerez" dans cette position. Il fera le tour d'une piste entière avec le même angle d'inclinaison. Ce processus de verrouillage du supraconducteur en place par la hauteur et l'orientation réduit toute oscillation indésirable (et est également visuellement impressionnant, comme le montre l'Université de Tel Aviv.)

Vous pouvez réorienter le supraconducteur dans le champ magnétique car votre main peut appliquer beaucoup plus de force et d'énergie que ce que le champ exerce.

Le processus de lévitation quantique décrit ci-dessus est basé sur la répulsion magnétique, mais il existe d'autres méthodes de lévitation quantique qui ont été proposées, dont certaines basées sur l'effet Casimir. Encore une fois, cela implique une manipulation curieuse des propriétés électromagnétiques du matériau, il reste donc à voir dans quelle mesure il est pratique.

Malheureusement, l'intensité actuelle de cet effet est telle que nous n'aurons pas de voitures volantes pendant un certain temps. De plus, cela ne fonctionne que sur un champ magnétique puissant, ce qui signifie que nous aurions besoin de construire de nouvelles routes à piste magnétique. Cependant, il existe déjà des trains à lévitation magnétique en Asie qui utilisent ce processus, en plus des trains à lévitation électromagnétique plus traditionnels (maglev).

Une autre application utile est la création de roulements véritablement sans friction. Le roulement pourrait tourner, mais il serait suspendu sans contact physique direct avec le boîtier environnant afin qu'il n'y ait pas de friction. Il y aura certainement des applications industrielles pour cela, et nous garderons les yeux ouverts quand ils feront la une des journaux.

Alors que la vidéo YouTube initiale a été beaucoup diffusée à la télévision, l'une des premières apparitions de la lévitation quantique dans la culture populaire a eu lieu dans l'épisode du 9 novembre de Stephen Colbert. Le rapport Colbert, un spectacle de politiciens satiriques de Comedy Central. Colbert a amené le scientifique Dr. Matthew C. Sullivan du département de physique du Collège Ithaca. Colbert a expliqué à son auditoire la science derrière la lévitation quantique de cette façon:

Comme je suis sûr que vous le savez, la lévitation quantique fait référence au phénomène par lequel les lignes de flux magnétique traversant un supraconducteur de type II sont bloqués en place malgré les forces électromagnétiques agissant sur eux. J'ai appris cela de l'intérieur d'une casquette Snapple. Il a ensuite procédé à léviter une mini tasse de la saveur de crème glacée Americone Dream de Stephen Colbert. Il a pu le faire parce qu'ils avaient placé un disque supraconducteur dans le fond de la coupe de crème glacée. (Désolé de renoncer au fantôme, Colbert. Merci au Dr Sullivan d'avoir parlé avec nous de la science derrière cet article!)