Cómo funciona la levitación cuántica

Algunos videos en Internet muestran algo llamado "levitación cuántica". ¿Que es esto? ¿Como funciona? ¿Podremos tener autos voladores?

La levitación cuántica como se llama es un proceso en el que los científicos usan las propiedades de física cuántica levitar un objeto (específicamente, un superconductor) sobre un fuente magnética (específicamente una pista de levitación cuántica diseñada para este propósito).

La razón por la que esto funciona es algo llamado Efecto Meissner y fijación de flujo magnético. El efecto Meissner dicta que un superconductor en un campo magnético siempre expulsará el campo magnético dentro de él y, por lo tanto, doblará el campo magnético a su alrededor. El problema es una cuestión de equilibrio. Si acaba de colocar un superconductor encima de un imán, entonces el superconductor simplemente flotaría el imán, como tratar de equilibrar dos polos magnéticos sur de imanes de barra contra cada uno otro.

El proceso de levitación cuántica se vuelve mucho más intrigante a través del proceso de fijación de flujo o bloqueo cuántico, como lo describe el grupo de superconductores de la Universidad de Tel Aviv de esta manera:

La superconductividad y el campo magnético [sic] no se caen bien. Cuando sea posible, el superconductor expulsará todo el campo magnético del interior. Este es el efecto Meissner. En nuestro caso, dado que el superconductor es extremadamente delgado, el campo magnético penetra. Sin embargo, lo hace en cantidades discretas (esto es física cuántica ¡después de todo! ) llamados tubos de flujo. Dentro de cada tubo de flujo magnético, la superconductividad se destruye localmente. El superconductor intentará mantener los tubos magnéticos fijados en áreas débiles (por ejemplo, límites de grano). Cualquier movimiento espacial del superconductor hará que los tubos de flujo se muevan. Para evitar que el superconductor permanezca "atrapado" en el aire. Los términos "levitación cuántica" y "bloqueo cuántico" fueron acuñados para este proceso por el físico de la Universidad de Tel Aviv Guy Deutscher, uno de los principales investigadores en este campo.

Pensemos en qué es realmente un superconductor: es un material en el que los electrones pueden fluir muy fácilmente. Los electrones fluyen a través de superconductores sin resistencia, de modo que cuando los campos magnéticos se acercan a un material superconductor, el superconductor forma pequeñas corrientes en su superficie, cancelando la entrada campo magnético. El resultado es que la intensidad del campo magnético dentro de la superficie del superconductor es precisamente cero. Si mapeó las líneas netas del campo magnético, mostraría que se están doblando alrededor del objeto.

Pero, ¿cómo lo hace levitar?

Cuando un superconductor se coloca en una pista magnética, el efecto es que el superconductor permanece sobre la pista, esencialmente siendo empujado por el fuerte campo magnético justo en la pista superficie. Por supuesto, hay un límite sobre qué tan lejos de la pista puede empujarse, ya que el poder de la repulsión magnética tiene que contrarrestar la fuerza de gravedad.

Un disco de un superconductor tipo I demostrará el efecto Meissner en su versión más extrema, que se llama "diamagnetismo perfecto" y no contendrá ningún campo magnético dentro del material. Levitará, ya que intenta evitar cualquier contacto con el campo magnético. El problema con esto es que la levitación no es estable. El objeto levitante normalmente no permanecerá en su lugar. (Este mismo proceso ha sido capaz de levitar superconductores dentro de un imán de plomo cóncavo en forma de cuenco, en el cual el magnetismo está empujando por igual en todos los lados).

Para ser útil, la levitación debe ser un poco más estable. Ahí es donde entra en juego el bloqueo cuántico.

Uno de los elementos clave del proceso de bloqueo cuántico es la existencia de estos tubos de flujo, llamados "vórtices". Si un superconductor es muy delgado, o si el superconductor es un superconductor tipo II, le cuesta menos energía al superconductor para permitir que parte del campo magnético penetre en el superconductor. Es por eso que se forman vórtices de flujo, en regiones donde el campo magnético es capaz de "deslizarse" por el superconductor.

En el caso descrito anteriormente por el equipo de Tel Aviv, pudieron hacer crecer una película de cerámica delgada especial sobre la superficie de una oblea. Cuando se enfría, este material cerámico es un superconductor tipo II. Debido a que es tan delgado, el diamagnetismo exhibido no es perfecto... permitiendo la creación de estos vórtices de flujo que pasan a través del material.

Los vórtices de flujo también pueden formarse en superconductores de tipo II, incluso si el material superconductor no es tan delgado. El superconductor tipo II puede diseñarse para mejorar este efecto, denominado "fijación de flujo mejorada".

Cuando el campo penetra en el superconductor en forma de tubo de flujo, esencialmente apaga el superconductor en esa región estrecha. Imagine cada tubo como una pequeña región no superconductora en el medio del superconductor. Si el superconductor se mueve, los vórtices de flujo se moverán. Sin embargo, recuerda dos cosas:

1. los vórtices de flujo son campos magnéticos
2. el superconductor creará corrientes para contrarrestar los campos magnéticos (es decir, el efecto Meissner)

El propio material superconductor creará una fuerza para inhibir cualquier tipo de movimiento en relación con el campo magnético. Si inclina el superconductor, por ejemplo, lo "bloqueará" o "atrapará" en esa posición. Dará la vuelta a toda una pista con el mismo ángulo de inclinación. Este proceso de bloqueando el superconductor en su lugar por altura y orientación reduce cualquier oscilación indeseable (y también es visualmente impresionante, como lo muestra la Universidad de Tel Aviv).

Puede reorientar el superconductor dentro del campo magnético porque su mano puede aplicar mucha más fuerza y ​​energía que la que ejerce el campo.

El proceso de levitación cuántica descrito anteriormente se basa en la repulsión magnética, pero se han propuesto otros métodos de levitación cuántica, incluidos algunos basados ​​en el efecto Casimir. Nuevamente, esto implica una manipulación curiosa de las propiedades electromagnéticas del material, por lo que queda por ver cuán práctico es.

Desafortunadamente, la intensidad actual de este efecto es tal que no tendremos autos voladores por bastante tiempo. Además, solo funciona sobre un campo magnético fuerte, lo que significa que tendríamos que construir nuevos caminos de vía magnética. Sin embargo, ya existen trenes de levitación magnética en Asia que utilizan este proceso, además de los trenes de levitación electromagnética (maglev) más tradicionales.

Otra aplicación útil es la creación de rodamientos verdaderamente sin fricción. El rodamiento podría girar, pero estaría suspendido sin contacto físico directo con la carcasa circundante para que no haya fricción. Ciertamente habrá algunas aplicaciones industriales para esto, y mantendremos nuestros ojos abiertos para cuando lleguen a las noticias.

Si bien el video inicial de YouTube tuvo mucha reproducción en la televisión, una de las primeras apariciones en cultura popular de la levitación cuántica real fue en el episodio del 9 de noviembre de Stephen Colbert's El informe Colbert, un espectáculo de expertos políticos satíricos de Comedy Central. Colbert trajo al científico Dr. Matthew C. Sullivan del departamento de física de Ithaca College. Colbert explicó a su audiencia la ciencia detrás de la levitación cuántica de esta manera:

Como estoy seguro de que sabe, la levitación cuántica se refiere al fenómeno por el cual las líneas de flujo magnético que fluye a través de un superconductor tipo II se fijan en su lugar a pesar de las fuerzas electromagnéticas que actúan sobre ellos. Lo aprendí desde el interior de una gorra Snapple. Luego procedió a levitar una mini taza de su sabor de helado Americone Dream de Stephen Colbert. Pudo hacer esto porque habían colocado un disco superconductor en el fondo de la copa de helado. (Perdón por renunciar al fantasma, Colbert. ¡Gracias al Dr. Sullivan por hablar con nosotros sobre la ciencia detrás de este artículo!)