Магнитная левитация и перспективы её применения

Со времён гулливеровского «Путешествия в Лапуту» (в этом файле – начиная со стр. 178), нафантазированного Джонатаном Свифтом, левитация крупных объектов остаётся одним из излюбленных сюжетов научной фантастики и воплощением огромной технической мощи. Мы интуитивно отличаем левитацию от обычного полёта, поскольку левитирующий объект не падает благодаря устойчивому противодействию гравитации. В этом качестве левитирующий объект можно сравнить с плавучим, и левитирующий объект будет относиться к летающему как льдина к кораблю. Поэтому подлинная левитация с технической точки зрения значительно сложнее, чем просто полёт, и современные летающие автомобили левитирующими не являются. Определённо, свободная левитация была бы возможна, если бы был найден материал с отрицательной массой и/или антигравитационными свойствами. Но ограниченная левитация, примером которой является упомянутый выше маглев, есть ни что иное как макроскопическое проявление квантовых эффектов, присущих сверхпроводникам. Поэтому ниже мы поговорим именно о квантовой левитации, её связи со сверхпроводимостью и о том, насколько далеко в микромир могут углубиться такие технологии.

Интересно, что квантовая левитация не рассматривается в классической книге Митио Каку «Физика невозможного», тогда как вечный двигатель справедливо отнесён к «невозможностям III класса». Однако между этими явлениями немало общего. Если подобрать материал, который при нужной температуре приобретает сверхпроводящие свойства, и разместить его почти вплотную к правильно настроенному магниту, то этот материал сможет неопределённо долго висеть над магнитом или двигаться по намагниченному треку. Таким образом, вечное движение невозможно в ньютоновском мире, но вполне обыденно в квантовом, где потери энергии на теплоотдачу, трение и сопротивление сводятся к нулю. Объект в состоянии квантовой левитации может оставаться как над магнитом, так и под магнитом, а двигаться вдоль магнита будет без потери скорости. Подобные (ещё более удивительные) свойства наблюдаются не только при сверхпроводимости, но и при сверхтекучести, которую впервые обнаружил у жидкого гелия Пётр Иванович Капица в 1938 году.

Такие свойства действительно не вписываются в обыденный опыт и принципиально отличаются от свойств постоянного магнита. Давайте разберём их подробнее и для начала уточним, как они связаны с критической температурой сверхпроводника.  

Критическая температура сверхпроводника

Критическая температура – это порог охлаждения, ниже которого вещество мгновенно приобретает сверхпроводящие свойства. Вот известная на настоящий момент периодическая таблица сверхпроводимости химических элементов:

При этом некоторые металлы переходят в сверхпроводящее состояние только под высоким давлением:

Большинство металлов переходят в сверхпроводящее состояние при температуре всего несколько кельвинов (считанные градусы выше абсолютного нуля). Тем не менее, для большинства указанных здесь металлов критическая температура достижима, если погрузить их в жидкий гелий, который кипит при температуре 4,2 кельвина или примерно -269 ℃. Вот таблица критических температур в кельвинах:

Путь к широкому освоению сверхпроводимости и распространению магнитной левитации лежит через повышение критической температуры. Ключевой порог — это 77 K (около –196 ℃), температура кипения жидкого азота. На Хабре есть интересная статья «Высокотемпературные сверхпроводники» под авторством уважаемого Игоря Егорова @egigd, рассказывающая, как подбираются интерметаллические соединения, приобретающие сверхпроводящие свойства при таких температурах. Два основных класса таких соединений – это оксиды иттрия-бария-меди (YBaCuO или YBCO) и висмут-стронций-кальциевые купраты (Bi_2.1Sr_1.9CaCu_2.0O_8+δ). Они приобретают сверхпроводящие свойства, соответственно, при 92 K и до 108 K. Формулы этих соединений переменные, количество атомов в кристалле может отличаться, поэтому отличается и критическая температура. Здесь мы подходим к ещё одному важному отличию между сверхпроводниками: сверхпроводники бывают первого и второго рода. Все металлы (кроме ниобия, ванадия и технеция) у которых известны сверхпроводящие свойства, относятся к сверхпроводникам первого рода, но именно у сверхпроводников второго рода, представляющих собой сложные интерметаллические оксиды, критическая температура достаточно высока для их широкого практического применения. Ниже рассмотрим эту разницу подробнее.  

Сверхпроводники 1 и 2 рода

На Хабре есть интересная вводная статья «Сверхпроводящие материалы», проясняющая отличие между сверхпроводниками первого и второго рода, написанная уважаемым Антоном Матасовым @MatasovAV (анонсирована как первая часть, но вторая часть на Хабре до сих пор не вышла). Помещу здесь заглавную иллюстрацию из его статьи, наглядно иллюстрирующую разницу между сверхпроводниками первого и второго рода.

Подавляющее большинство металлов (за исключением ниобия) равномерно переходят в сверхпроводящее состояние сразу после достижения критической температуры и при этом магнитные поля из них полностью вытесняются. Но сверхпроводящие соединения, у которых критическая температура значительно выше, чем у металлов, остаются неоднородными как с химической, так и с физической точки зрения. Это сверхпроводники первого рода.

В свою очередь, высокотемпературный сверхпроводник состоит из атомов металлов и неметаллов, и атомы неметаллов в нём можно считать «примесями». При переходе такого соединения в сверхпроводящее состояние получается не однородный идеальный диамагнетик, а вещество, внутренние магнитные поля в котором частично сохраняются – на месте условных примесей. При этом магнетизм не может распространиться на весь материал, линии магнитного поля остаются «заперты» в примесях и распределяются тем равномернее, чем более упорядоченную зернистость имеет сверхпроводник 2 рода. Такое вытеснение магнитного поля из сверхпроводника называется «эффектом Мейснера», подробнее почитать о нём можно здесь.

Магнитные поля не могут проникнуть обратно в те регионы, из которых они вытеснены, однако в сверхпроводнике самопроизвольно возникают вихревые токи, которые как раз свободно распространяются по всему материалу, поскольку его сопротивление равно нулю. Пока температура материала остаётся ниже критической, ток в нём также сохраняется неопределённо долго. Это и есть сумма условий, нужная для получения стабильной магнитной левитации.

В тех областях сверхпроводника 2 рода, откуда вытеснены магнитные поля (это большая часть сверхпроводящего физического тела), он становится идеальным диамагнетиком. Но в остальных регионах, где магнитные поля сохраняются, расположение линий и полярность магнитного поля остаётся неизменной. В англоязычной литературе это явление называется «flux pinning», а на русский может переводиться как «вмораживание магнитного поля».  

Далее нам будет достаточно обеспечить стабильное внешнее магнитное поле, окружив сверхпроводящий материал внешними магнитами противоположной полярности – и мы получим трек или трубку, в которой будут поддерживаться условия для магнитной левитации.

При этом существуют сплавы и некоторые металлы — ниобий, ванадий, технеций — у которых глубина проникновения магнитного поля (называемая также «лондоновской» в честь открывших её Фрица и Хайнца Лондонов) в принципе превышает длину когерентности сверхпроводника. Это означает, что внешнее магнитное поле будет пронизывать такой материал насквозь, а он при этом будет оставаться сверхпроводящим.

Таким образом, для получения магнитной левитации необходим сверхпроводник 2 рода, в котором будет вморожено магнитное поле. Это будет «база» левитирующего транспорта, например, поезда. Далее сверхпроводник 2 рода помещается над или под магнитной колеёй (треком) с противоположной ему полярностью. До тех пор, пока материал «базы» будет оставаться в сверхпроводящем состоянии, объект будет летать над треком. Это будет макроскопический квантовый феномен.

В заключительной части этой статьи также рассмотрим проявление эффекта Мейснера в микро- и наномасштабе. Существуют приёмы, позволяющие добиться управляемой магнитной левитации пылинок, микрочастиц и так далее до уровня, на котором наблюдается броуновское движение. Данное явление называется «квантовый захват» (в англоязычной литературе — «quantum locking»).

Квантовый захват

Квантовый захват – это любопытный феномен на стыке квантовой физики и макроскопической механики. Как и другие проявления эффекта Мейснера, квантовый захват позволяет прочно зафиксировать на месте объект, висящий над сверхпроводником 2 рода.  В данном случае висящий объект оказывается в магнитной воронке, которая остаётся целостной до тех пор, пока материал под ней сохраняет сверхпроводящие свойства. Вот некоторые возможные варианты применения квантового захвата.

• Инерционная навигация – Если расположить на борту воздушного судна магниты в состоянии квантового захвата, то они обеспечат точную навигацию даже в условиях сильной турбулентности.

• Гашение вибрации – также достигается путём привязки объекта к сверхпроводящему магниту по принципу квантового захвата. Обеспечивается точный контроль движения, а также сейсмическая устойчивость объекта.

• Квантовые гироскопы – если поймать в квантовый захват два вращающихся кольца, то получится очень точный гироскоп, улавливающий направление вращения, а также находящий применение в навигации.

• Магнитные подшипники и двигатели

• Ускорители, в которых потоки заряженных частиц будут входить в квантовый захват со сверхпроводящей поверхностью. Следовательно, сильно возрастёт точность направляемых пучков.

• Сверхпроводящие электрогенераторы

• Сверхпроводящие электрические кабели (правда, для их производства могут потребоваться ещё более высокотемпературные сверхпроводники, чем известны сегодня, такие, в которых сверхпроводимость не терялась бы и при перегреве, вызванном скачками напряжения)

• Сверхпроводящие магниты для МРТ

• Термоядерные реакторы и ёмкости для удержания плазмы

• Электромагнитные пусковые установки для баллистических ракет и космических кораблей

• Сверхпроводящие накопители информации (SMES)

• Сверхпроводящие квантовые интерфейрометры (SQUID) для высокочувствительных измерений магнитного поля  

Для создания таких приборов потребуется решить несколько инженерных задач, связанных со следующими физическими явлениями:

• Криогеника – как следует из вышеизложенного, для работы любых таких систем требуется сочетание температур порядка десятков кельвинов и давления до миллионов атмосфер. Причём, температура представляется даже более важным фактором – как с год назад писали на Хабре, сенсация с корейским чудо-веществом LK99, якобы проявляющим сверхпроводимость при комнатной температуре, оказалась несколько преувеличенной.

• Сила магнитных полей – для квантового захвата и создания стабильных электромагнитных воронок требуются дорогостоящие магниты на основе редкоземельных металлов.

• Теплоотвод — требуется постоянно рассеивать избыток теплоты, выделяющейся при вращении элементов конструкции и при взаимодействии частиц.

Высокий вакуум и манипуляции над элементарными частицами

 Вероятно, наиболее подходящей средой для квантового захвата является высокий вакуум. Левитация в высоком вакууме в принципе применима к магнитам, металлическим частицам, алмазам с центрами окраски, графену, а также к различным капельным средам (в том числе, к сверхтекучему гелию). Как отмечает Карлос Гонсалес-Баллестеро, постдок с факультета теоретической физики Инсбрукского университета, контролируемая магнитная левитация должна уменьшать количество внутренних степеней свободы и в системах, состоящих из фононов, магнонов, экситонов, тем самым упрощая их изучение. В дальнейшем контролируемая магнитная левитация могла бы открыть путь к управлению системами из миллиардов атомов, где можно было бы искусственно создавать сложные суперпозиции частиц. Наиболее реалистичный вариант использования подобной технологии – искусственное купирование квантовой декогеренции. Однако магнитная левитация на уровне отдельных элементарных частиц позволила бы исследовать и любые взаимодействия между ними, искать пока не открытые частицы, возможно, создавать экзотические агрегатные состояния вещества, подобные конденсату Бозе-Эйнштейна, а также управлять сверхпроводимостью при помощи магнетизма.