Квантовая левитация и сверхпроводники

Левитация — не фокус и не кино. Учёные Тель-Авивского университета наглядно показали: небольшой диск из особого материала действительно парит в воздухе, скользит под магнитными рельсами и не падает. За этим явлением стоит квантовая физика — и оно куда ближе к реальной жизни, чем кажется.

Что происходит на самом деле

Группа исследователей из Тель-Авивского университета провела публичную демонстрацию явления, которое физики называют квантовой левитацией. Небольшой диск из сверхпроводящего материала буквально висел над дорожкой из постоянных магнитов — без каких-либо подпорок, нитей или скрытых механизмов. Он не просто висел: его можно было раскрутить, перевернуть и запустить под рельсом снизу — диск всё равно оставался на месте.

Это не аттракцион и не спецэффект. За таким поведением стоит строгая физика, и именно она делает явление по-настоящему захватывающим.

Что такое сверхпроводник

Обычные проводники — медь, алюминий, железо — всегда оказывают электрическому току хоть какое-то сопротивление. Часть энергии при этом рассеивается в виде тепла. Именно поэтому провода греются, а линии электропередачи теряют часть мощности по дороге от станции до потребителя.

Сверхпроводники ведут себя иначе. При охлаждении ниже определённой температуры их электрическое сопротивление падает точно до нуля. Не почти до нуля — именно до нуля. Ток в кольце из сверхпроводника может циркулировать буквально вечно, без каких-либо потерь.

В тель-авивском эксперименте использовалась сапфировая пластина, покрытая тончайшим слоем оксида иттрия-бария-меди толщиной около одного микрометра. Это один из так называемых высокотемпературных сверхпроводников — он переходит в сверхпроводящее состояние при охлаждении жидким азотом, то есть примерно при минус 196 градусах по Цельсию. Белый туман, который хорошо виден на видеозаписях, — это и есть испаряющийся азот.

Эффект Мейснера и почему поле «не входит» в сверхпроводник

Когда материал становится сверхпроводником, в нём возникают особые токи, которые полностью выталкивают магнитное поле наружу. Это явление открыли в 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд — оно так и называется: эффект Мейснера.

Именно из-за него магнит, поднесённый к сверхпроводнику, отталкивается и зависает над ним. Это классический опыт, который показывают на физических факультетах по всему миру.

Однако в тель-авивском эксперименте использовался материал настолько тонкий, что он не мог вытолкнуть поле полностью. Магнитный поток проникал сквозь пластину в строго определённых точках — крошечными изолированными нитями, которые физики называют вихрями или трубками потока.

Квантовая ловушка: почему диск не падает и не улетает

Вокруг каждой такой трубки потока сверхпроводимость локально нарушается. Материал стремится удерживать эти трубки в неподвижности — любое смещение диска заставило бы их сдвинуться, а это энергетически невыгодно. В результате диск оказывается буквально зафиксированным в пространстве: он не падает вниз, не всплывает вверх и не скользит в сторону без приложения усилия.

Этот механизм называют квантовой ловушкой. Именно он объясняет, почему диск можно запустить под рельс снизу — он будет висеть там так же надёжно, как и сверху. Гравитации это безразлично: сверхпроводник привязан к конфигурации магнитного поля, а не к направлению вниз.

Как диск движется по рельсу

Поскольку диск зафиксирован относительно магнитного поля, а не относительно самого рельса, его можно толкнуть вдоль дорожки — и он будет скользить без трения. Никакого колёс, никаких осей, никакого контакта с поверхностью. Единственное, что его тормозит, — сопротивление воздуха.

Именно на этом принципе строится идея сверхпроводящего транспорта. Поезд, левитирующий над магнитными путями без механического контакта, теоретически способен разгоняться до очень высоких скоростей при минимальных энергозатратах.

Почему мы пока не ездим на таких поездах

Главное препятствие — температура. Все известные сверхпроводники требуют сильного охлаждения. Классические металлические сверхпроводники переходят в нужное состояние лишь вблизи абсолютного нуля — при минус 269 градусах и ниже. Высокотемпературные, вроде использованного в тель-авивском опыте, работают при минус 135–196 градусах — это уже достижимо с жидким азотом, но всё равно требует громоздкой криогенной инфраструктуры.

Учёные давно ищут материал, который стал бы сверхпроводником при комнатной температуре. В последние годы появились сообщения о таких открытиях — однако пока ни одно из них не получило независимого подтверждения и не вышло за рамки лабораторных условий высокого давления. Задача остаётся одной из самых амбициозных в современной физике.

Где это уже применяется

Несмотря на ограничения, сверхпроводники давно вышли из лаборатории. Магнитно-резонансные томографы работают на сверхпроводящих катушках — именно они создают мощное и стабильное поле, необходимое для получения изображений. Ускорители частиц, включая Большой адронный коллайдер, используют тысячи сверхпроводящих магнитов для удержания и разгона пучков протонов. Существуют и маглев-поезда на основе сверхпроводников — в частности, японский состав серии Линиа разгоняется до 603 километров в час, хотя его система охлаждения пока не позволяет сделать такой транспорт массовым.

Кроме того, сверхпроводники критически важны для квантовых вычислений: кубиты в большинстве современных квантовых процессоров — в том числе у крупных технологических компаний — реализованы именно на сверхпроводящих цепях, охлаждённых до долей градуса выше абсолютного нуля. О Большом адронном коллайдере на нашем сайте есть отдельный материал.

Что это значит для будущего

Сверхпроводимость при комнатной температуре изменила бы буквально всё: передача электроэнергии без потерь, транспорт без трения, принципиально новые медицинские приборы, более мощные и дешёвые квантовые компьютеры. Это не фантастика — это физически возможное явление, для которого пока не найден подходящий материал.

Тель-авивская демонстрация ценна именно тем, что делает абстрактную квантовую механику зримой. Диск, который висит в воздухе и скользит под рельсом, — лучшее объяснение того, почему физики вкладывают столько усилий в поиск сверхпроводника, работающего в обычных условиях.

Интересный факт

Сверхпроводимость открыли случайно. В 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес охлаждал ртуть, изучая её электрические свойства при низких температурах. При 4,2 градуса выше абсолютного нуля прибор просто перестал фиксировать сопротивление — учёный решил, что сломалось оборудование. Оказалось, что ртуть стала сверхпроводником. За это открытие Камерлинг-Оннес получил Нобелевскую премию по физике в 1913 году — и положил начало одному из самых долгих и захватывающих научных поисков в истории.