Pergunta: o que é levitação quântica (e como funciona)?
Recentemente, vídeos na internet mostram algo chamado “levitação quântica.” O que é isto? Como é que funciona? Nós poderemos mesmo ter carros voadores ou skates do tipo que aparecem em “De Volta Para o Futuro?
Resposta:
Levitação quântica é um processo onde os cientistas usam as propriedades da física quântica para levitar um objeto (especificamente, um supercondutor) mais de uma fonte magnética (especificamente uma faixa de Levitação Quântica projetada para essa finalidade).
A razão pela qual isso funciona é que algo chamado de efeito Meissner e fixação de fluxo magnético. O efeito Meissner dita que um supercondutor em um campo magnético irá sempre expulsar o campo magnético no interior do mesmo, por isso, o campo magnético em torno dele dobra-se. O problema é uma questão de equilíbrio. Se você só colocou um supercondutor em cima de um ímã e, em seguida, o supercondutor só iria flutuar fora do ímã, mais ou menos com tentar equilibrar dois pólos magnéticos sul da barra de ímãs uns contra os outros.
O processo de levitação quântica torna-se muito mais intrigante através do processo de fixação de fluxo, ou bloqueio quântico, como descrito pelo grupo Supercodutor de Tel Aviv University desta forma:
Supercondutividade e campo magnético [sic] não gostam um do outro. Quando possível, o supercondutor irá expulsar todo o campo magnético de dentro. Este é o efeito Meissner. No nosso caso, desde que o supercondutor esteja extremamente fino, o campo magnético que penetrará. No entanto, ele faz isso em quantidades discretas (isto é física quântica afinal!) chamadas tubos de fluxos.
Dentro de cada tubo de fluxo magnético , a supercondutividade local é destruída. O supercondutor tentará manter os tubos magnéticos em áreas fracas (por exemplo, limites de grão). Qualquer movimento espacial do supercondutor fará com que os tubos de fluxo movam-se evitando que o supercondutor continue a ser “preso” em pleno ar.
Os termos “levitação quântica” e “bloqueio quântico” foram inventados para este processo pelo físico da Universidade de Tel Aviv Guy Deutscher, um dos pesquisadores neste campo.
A descrição acima é grande, mas podem haver outras perguntas… então, aqui estão algumas que vêm em mente, juntamente com respostas:
Porque supercondutores e campos magnéticos não se “gostam”? (ou porque acontece o efeito Meissner?)
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Vamos pensar sobre o que um supercondutor é: é um material em que os elétrons são capazes de fluir muito facilmente. Elétrons fluem em supercondutores sem resistência, para que quando campos magnéticos chegarem perto de um material supercondutor, correntes pequenas do supercondutor se formam em sua superfície, anulando o campo magnético recebido. O resultado é que a intensidade do campo magnético no interior da superfície do supercondutor é precisamente zero. Se você mapeou as linhas de rede de campo magnético (imagem acima), eles iriam mostrar que estão se dobrando em torno do objeto.
Quando um supercondutor é colocado em uma faixa magnética, o efeito é que o supercondutor permanece acima da faixa, essencialmente sendo empurrado pelo campo magnético forte à direita na superfície da pista. Existe um limite para a medida acima da faixa que pode ser empurrada, claro, uma vez que a energia de repulsão magnética tenha contrariado a força de gravidade.
O disco de um supercondutor Tipo-I irá demonstrar o efeito de Meissner na sua versão mais extrema, que é chamado “diamagnetismo perfeito”, e não conterá quaisquer campos magnéticos dentro do material.
Ele vai levitar, enquanto tentar evitar qualquer contato com o campo magnético. O problema com isto é que a levitação não é estável. O objeto levitando normalmente não vai ficar no lugar. (Este mesmo processo tem sido capaz de levitar supercondutores dentro de um ímã de chumbo côncavo, em forma de taça, em que o magnetismo está empurrando igualmente por todos os lados.) Para pra ser útil, a levitação precisa ser um pouco mais estável… e isso é onde o bloqueio quântico entra em cena.
O que são esses tubos de fluxo?
Um dos elementos-chave do processo de bloqueio quântico é a existência destes tubos de fluxo, chamado um “vórtices”. Se um supercondutor é muito fino, ou se o supercondutor é um supercondutor de tipo II, terão menos energia para permitir que parte do campo magnético penetre no supercondutor. É por isso que os vórtices de fluxo se formam, nas regiões onde o campo magnético é capaz de, com efeito, “deslizar através” do supercondutor.
No caso descrito pela equipe de Tel Aviv acima, eles foram capazes de crescer uma fina camada de cerâmica especial sobre a superfície de uma bolacha. Quando esfria, este material cerâmico é um supercondutor de tipo II. Porque é tão fino, o diamagnetismo exibido não é perfeito… permitindo a criação destes vórtices de fluxo passando através do material.
Fluxo de vórtices também podem formar em supercondutores do tipo II, mesmo se o material supercondutor não seja tão fino. O supercondutor tipo II pode ser projetado para aumentar este efeito, chamado “fixação de fluxo aprimorado.”
Como tubos de fluxo levar ao bloqueio quântica?
Quando o campo penetra o supercondutor na forma de um tubo de fluxo, essencialmente desliga o supercondutor naquela região estreita. Imagine cada tubo como uma região não-supercondutor minúscula dentro no meio do supercondutor. Se move o supercondutor, moverá os vórtices de fluxo. Lembre-se as duas coisas, porém:
- Os vórtices de fluxo são campos magnéticos;
- O supercondutor irá criar correntes de campos magnéticos (ou seja, o efeito de Meissner).
O próprio material do supercondutor irá criar uma força para inibir qualquer tipo de movimento em relação ao campo magnético. Se você inclinar o supercondutor, por exemplo, você vai “bloqueá-lo” aquela posição. Ele vai em uma pista toda com o mesmo ângulo de inclinação. Este processo de bloqueio do supercondutor em um lugar pela altura e orientação reduz qualquer oscilação indesejável (e é também visualmente impressionante, como mostrado pela Universidade de Tel Aviv no vídeo mais abaixo).
Você é capaz de re-orientar o supercondutor dentro do campo magnético, porque sua mão pode aplicar muito mais força e energia do que o que o campo está exercendo.
Outros tipos de levitação quântica
O processo de levitação quântica descrito acima é baseado na repulsão magnética, mas existem outros métodos de levitação quântica que têm sido propostos, incluindo alguns baseado no Efeito Casimir. Novamente, isto envolve alguma manipulação curiosa das propriedades eletromagnéticas do material, assim continua a ser visto como prático.
O futuro da levitação quântica
Infelizmente, a intensidade de corrente deste efeito é tal que não teremos carros voadores ou hoverboards por algum tempo. Além disso, ele só funciona sobre um campo magnético forte, significando que precisamos construir novas estradas de faixa magnética. No entanto, já existem comboios de levitação magnética na Ásia que usam esse processo, além dos mais tradicionais trens de levitação eletromagnética (maglev).
Outra aplicação útil é a criação de rolamentos verdadeiramente sem atrito. O rolamento seria capaz de girar, mas isso seria suspenso sem contato físico direto com o compartimento do envolvente, para que não houvesse qualquer atrito.
Levitação quântica na cultura Popular
Uma das primeiras aparições de levitação quântica real na cultura popular foi no episódio de 9 de novembro do The Colbert Report, um show de comentarista político satírico a Comedy Central de Colbert. O Departamento de física de Colbert trouxe cientista Dr. Matthew C. Sullivan da faculdade de Ithaca. Colbert explicou ao seu público a ciência por trás de levitação quântica desta forma:
Como tenho certeza que você sabe, levitação quântica refere-se ao fenômeno pelo qual as linhas de fluxo magnético fluem através de um supercondutor de tipo II e são fixadas no lugar apesar das forças eletromagnéticas, agindo sobre eles. Aprendi que de dentro de um Snapple cap.
Ele começou a levitar um mini cop de sorvete sabor de sabor Sonho Americano em seu Colbert. Ele foi capaz de fazer isso, porque eles tinham colocado um disco supercondutor dentro o fundo do copo gelado.
Veja abaixo o vídeo de uma demonstração de levitação Quântica:
Traduzido e adaptado de: About Physic