A levitação quântica pode fazer os objetos flutuarem e voarem
Alguns vídeos na internet mostram algo chamada “levitação quântica”. O que é isso? Como funciona? Nós poderemos ter carros voadores?
A levitação quântica, como é chamada, é um processo em que os cientistas usam as propriedades da física quântica para levitar um objeto (especificamente, um supercondutor ) sobre uma fonte magnética (especificamente uma pista de levitação quântica projetada para esse fim).
A ciência da levitação quântica
A razão pela qual isso funciona é algo chamado de efeito Meissner e fixação de fluxo magnético. O efeito Meissner determina que um supercondutor em um campo magnético irá sempre expulsar o campo magnético dentro dele, e assim dobrar o campo magnético ao redor dele. O problema é uma questão de equilíbrio. Se você acabou de colocar um supercondutor em cima de um imã, então o supercondutor simplesmente flutuaria para fora do imã, como se tentasse equilibrar dois polos magnéticos sul de ímãs de barra um contra o outro.
O processo de levitação quântica torna-se muito mais intrigante através do processo de pinagem de fluxo, ou locking quântico, como descrito pelo grupo supercondutor da Universidade de Tel Aviv desta forma:
Supercondutividade e campo magnético [sic] não gostam um do outro. Quando possível, o supercondutor irá expulsar todo o campo magnético de dentro. Esse é o efeito Meissner. No nosso caso, como o supercondutor é extremamente fino, o campo magnético penetra. No entanto, faz isso em quantidades discretas (isso é quântica depois de tudo! ) chamados tubos de fluxo. Dentro de cada tubo de fluxo magnético, a supercondutividade é destruída localmente. O supercondutor tentará manter os tubos magnéticos presos em áreas fracas (por exemplo, limites de grãos). Qualquer movimento espacial do supercondutor fará com que os tubos de fluxo se movem. A fim de evitar que o supercondutor permaneça “preso” no ar. Os termos “levitação quântica” e “travamento quântico” foram cunhados para esse processo pelo físico da Universidade de Tel Aviv Guy Deutscher, um dos principais pesquisadores neste campo.
O efeito Meissner
Vamos pensar sobre o que realmente é um supercondutor: é um material no qual os elétrons são capazes de fluir com muita facilidade. Os elétrons fluem através de supercondutores sem resistência, de modo que quando os campos magnéticos se aproximam de um material supercondutor, o supercondutor forma pequenas correntes em sua superfície, anulando o campo magnético de entrada. O resultado é que a intensidade do campo magnético dentro da superfície do supercondutor é precisamente zero. Se você mapeasse as linhas de campo magnético, isso mostraria que elas estão se dobrando em torno do objeto.
Mas como isso faz levitar?
Quando um supercondutor é colocado em uma pista magnética, o efeito é que o supercondutor permanece acima da pista, essencialmente sendo empurrado para longe pelo campo magnético forte bem na superfície da pista. Existe um limite para o quão longe a pista pode ser empurrada, é claro, uma vez que o poder da repulsão magnética tem que neutralizar a força da gravidade.
Um disco de um supercondutor tipo I demonstrará o efeito Meissner em sua versão mais extrema, que é chamada de “diamagnetismo perfeito”, e não conterá nenhum campo magnético dentro do material. Levitará, enquanto tenta evitar qualquer contato com o campo magnético. O problema com isto é que a levitação não é estável. O objeto que levita normalmente não fica no lugar. (Esse mesmo processo foi capaz de levitar supercondutores dentro de um ímã de chumbo côncavo, em forma de tigela, no qual o magnetismo está empurrando igualmente em todos os lados.)
Para ser útil, a levitação precisa ser um pouco mais estável. É aí que o bloqueio quântico entra em jogo.
Tubos de fluxo
Um dos elementos-chave do processo de travamento quântico é a existência desses tubos de fluxo, chamados de “vortex”. Se um supercondutor for muito fino, ou se o supercondutor for um supercondutor tipo II, o supercondutor custará menos energia para permitir que parte do campo magnético penetre no supercondutor. É por isso que os vórtices de fluxo se formam em regiões onde o campo magnético é capaz de “deslizar” pelo supercondutor.
No caso descrito pela equipe de Tel Aviv acima, eles conseguiram produzir uma fina película cerâmica especial sobre a superfície de uma bolacha. Quando resfriado, este material cerâmico é um supercondutor tipo II. Por ser tão fino, o diamagnetismo exibido não é perfeito … permitindo a criação desses vórtices de fluxo passando pelo material.
Vórtices de fluxo também podem se formar em supercondutores tipo II, mesmo que o material supercondutor não seja tão fino. O supercondutor do tipo II pode ser projetado para melhorar esse efeito, chamado “pinagem aprimorada de fluxo”.
Travamento Quântico
Quando o campo penetra no supercondutor na forma de um tubo de fluxo, ele essencialmente desliga o supercondutor naquela região estreita. Imagine cada tubo como uma pequena região não supercondutora no meio do supercondutor. Se o supercondutor se mover, os vórtices de fluxo se moverão. Lembre-se de duas coisas, no entanto:
- os vórtices de fluxo são campos magnéticos
- o supercondutor criará correntes para combater os campos magnéticos (ou seja, o efeito Meissner)
O próprio material supercondutor criará uma força para inibir qualquer tipo de movimento em relação ao campo magnético. Se você inclinar o supercondutor, por exemplo, você irá “travar” ou “armadilhá-lo” nessa posição. Ele contornará uma pista inteira com o mesmo ângulo de inclinação. Esse processo de travar o supercondutor no lugar pela altura e orientação reduz qualquer oscilação indesejada (e também é visualmente impressionante, como mostrado pela Universidade de Tel Aviv).
Você é capaz de reorientar o supercondutor dentro do campo magnético porque sua mão pode aplicar muito mais força e energia do 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 foram propostos, incluindo alguns baseados no efeito Casimir. Mais uma vez, isso envolve alguma curiosa manipulação das propriedades eletromagnéticas do material, de modo que ainda é preciso ver como é prático.
O futuro da levitação quântica
Infelizmente, a intensidade atual deste efeito é tal que não teremos carros voadores por algum tempo. Além disso, funciona apenas sobre um campo magnético forte, o que significa que precisaríamos construir novas estradas de trilha magnética. No entanto, já existem trens de levitação magnética na Ásia que usam esse processo, além dos trens mais tradicionais de levitação eletromagnética (maglev).
Outra aplicação útil é a criação de rolamentos verdadeiramente sem fricção. O rolamento seria capaz de girar, mas seria suspenso sem contato físico direto com a caixa ao redor, para que não houvesse qualquer atrito. Certamente haverá algumas aplicações industriais para isso, e manteremos nossos olhos abertos para quando chegarem ao noticiário.
Levitação Quântica na Cultura Popular
Embora o vídeo inicial do YouTube tenha reproduzido muita coisa na televisão, uma das primeiras aparições da cultura popular sobre a levitação quântica real foi no episódio de 9 de novembro de Stephen Colbert, The Colbert Report , um show de comédias satíricas políticas da Comedy Central. Colbert trouxe o cientista Dr. Matthew C. Sullivan do departamento de física do Colégio Ithaca. Colbert explicou ao seu público a ciência por trás da levitação quântica:
Como eu tenho certeza que você sabe, a levitação quântica se refere ao fenômeno pelo qual as linhas de fluxo magnético fluindo através de um supercondutor do tipo II são presas no lugar apesar das forças eletromagnéticas que atuam sobre elas.
