- ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΙΩΡΗΣΗ

Η αιώρηση, χωρίς προφανή εξωτερική αιτία, συνδέονταν από τα πολύ παλιά χρόνια με τη μαγεία, τη θρησκεία και γενικά με τις υπερφυσικές δυνάμεις.

Και πάνω που η επιστήμη απομυθοποίησε όλες τις σχετικές περιπτώσεις, έρχεται η σύγχρονη μαγεία της Κβαντομηχανικής να δημιουργήσει μια εξίσου θεαματική και δυσεξήγητη περίπτωση, τη μαγνητική κβαντική αιώρηση.       

Όταν δεν πρόκειται για photoshop, η «αιώρηση» διαφόρων γκουρού οφείλεται σε καθισματάκι κάτω από τη ρόμπα και μία βάση κάτω από το χαλί, που ενώνονται με το μπαστούνι. Μάλιστα στην αρχή και στο τέλος της παράστασης οι γκουρού σκεπάζονται μ’ ένα σεντόνι από έναν βοηθό, για να μην αποκαλυφθεί το τρικ.

Η μαγνητική αιώρηση, έχει πολλές μορφές.

Υπάρχει η κλασική αιώρηση, που βασίζεται στην άπωση των ομώνυμων πόλων (και στην έλξη των ετερώνυμων), και χρησιμοποιείται πχ στην τεχνολογία των τρένων MAGLEV.

Εκεί, είτε με στατική έλξη, είτε με δυναμική άπωση, το τρένο αιωρείται σε μικρή απόσταση από τις "ράγες" του, έτσι ώστε να μην υπάρχει αντίσταση κύλισης και μαζί να καταργηθούν και όλα τα προβλήματα που συνοδεύουν ένα συμβατικό σύστημα ανάρτησης (φθορές σε τροχούς, ρουλεμάν, άξονες κλπ).

Βλ. και σχετικό άρθρο στο ίδιο blog, με ετικέτα: «Τεχνολογία τρένων».

Η κλασική και ευρύτερα γνωστή μέχρι τώρα αιώρηση μαγνήτη πάνω από υπεραγώγιμο υλικό, σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία.

Υπάρχει επίσης η αιώρηση που προκαλείται σ’ ένα κομμάτι ενός μικρού αλλά ισχυρού μαγνήτη, το οποίο τοποθετείται επάνω από ένα κομμάτι υπεραγωγού (αγώγιμο υλικό, συνήθως κράμμα, που σε θερμοκρασία περίπου -200 ^οC παρουσιάζει μηδενική ωμική αντίσταση).  
Η απώθηση οφείλεται σε κυκλικά επαγωγικά ρεύματα που αναπτύσσονται πολύ εύκολα στην επιφάνεια του υπεραγωγού (αφού δεν υπάρχει ωμική αντίσταση), έτσι ώστε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν να εξουδετερώνει το εξωτερικό πεδίο που προσπαθεί να εισχωρήσει μέσα του.

Σε όλα τα αγώγιμα υλικά η αντίστασή τους μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας, αλλά αυτά που χαρακτηρίζονται σαν υπεραγωγοί έχουν μια κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης στην υπεραγώγιμη φάση, κάτω από την οποία η αντίστασή τους μηδενίζεται απότομα.

Πώς επηρεάζει ένα αγώγιμο υλικό το μαγνητικό πεδίο, όταν βρίσκεται πιο πάνω (αριστερά) και πιο κάτω (δεξιά) από την κρίσιμη θερμοκρασία υπεραγώγιμης μετάβασης Tc (που βρίσκεται συνήθως μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν). Είναι αυτή η «απώθηση» των μαγνητικών γραμμών έξω από τη μάζα του υλικού (φαινόμενο Meissner), που προκαλεί την αιώρηση. Στις θερμοκρασίες αυτές τα υπεραγώγιμα υλικά συμπεριφέρονται σαν διαμαγνητικά. Τα τελευταία, μπορούν επίσης να αιωρηθούν και μάλιστα χωρίς ψύξη, αλλά σε πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Υπάρχει ακόμα η αιώρηση που προκαλείται από πολύ ισχυρά πεδία σε μη μαγνητικά (διαμαγνητικά) υλικά, όπως βάτραχοι, φρούτα κλπ, που μπορούν να αιωρηθούν μέσα στο πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ειδικό πηνίο, τύπου Bitter.

Στην περίπτωση αυτή, παρότι η δευτερεύουσα αιτία της αιώρησης είναι ίδια με τους υπεραγωγούς, δηλαδή η εκτροπή του μαγνητικού πεδίου έξω από τη μάζα τους (φαινόμενο Meissner), η πρωταρχική αιτία δεν είναι η ίδια (δηλαδή η δημιουργία επιφανειακών ρευμάτων αντίδρασης), αλλά ο κοινός προσανατολισμός του επίπεδου περιστροφής των ηλεκτρονίων των ατόμων του διαμαγνητικού υλικού. Γι’ αυτό και απαιτούνται πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Βάτραχος αιωρείται σε πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο (16 Τesla). Ο βάτραχος, και μετά το πείραμα παρέμεινε υγιέστατος.

Ένα διάγραμμα που δείχνει τη συμπεριφορά διαφόρων υλικών μέσα σε μαγνητικό πεδίο.

Η: είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου χωρίς την παρουσία υλικού, ενώ

Β: είναι η μαγνητική επαγωγή, δηλαδή η ένταση του μαγνητικού πεδίου μετά την εισαγωγή στο χώρο κάποιου υλικού. Όποιο υλικό βρίσκεται επάνω από την ευθεία μ_ο ενισχύει το πεδίο, ενώ όποιο είναι κάτω από την ευθεία αυτή το μειώνει.

Η μαγνητική διαπερατότητα (μ), δείχνει τη σχέση μαγνητικής επαγωγής (Β) και έντασης μαγνητικού πεδίου(Η).

μ_{f >>1}: σιδηρομαγνητικά υλικά (σίδηρος, νικέλιο, κοβάλτιο κλπ)

μ_p>1: παραμαγνητικά υλικά (αλουμίνιο, χρώμιο κλπ)

μ_ο=1: το κενό

μ_d<1: διαμαγνητικά υλικά (άνθρακας, χαλκός, ψευδάργυρος, μόλυβδος κλπ ). Στην περίπτωση αυτή ειδικότερα, οι δυνάμεις που αναπτύσσονται είναι απωστικές, σε αντίθεση με την περίπτωση των σιδηρο- και παρα- μαγνητικών υλικών.

Η πιο θεαματική όμως περίπτωση μαγνητικής αιώρησης είναι αυτή που επιδείχθηκε πρόσφατα στο πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ, με χιλιάδες θεάσεις στο You Tube, όπου ένα μικρός δίσκος από ειδικό γραφίτη κατεψυγμένος στους περίπου -200 ^οC με υγρό άζωτο, όχι απλά αιωρείται επάνω από μια ομάδα μαγνητών που μπορεί να σχηματίζουν και ολόκληρη τροχιά, αλλά «κλειδώνει» και σε ορισμένη «στάση», ακόμα και αν κρέμεται ανάποδα κάτω από τους μαγνήτες!

Συσκευή κβαντικής αιώρησης της εταιρείας Quantum Experience, για σχολικά πειράματα.

Αυτή τη τελευταία περίπτωση είναι και η πιο δύσκολη να εξηγηθεί, και αυτό γίνεται ανατρέχοντας στις ιδιαιτερότητες της ύλης στο ατομικό (δηλαδή το κβαντικό) επίπεδο.

Είναι ήδη γνωστό ότι ύλη με προσμίξεις, ή «ακαθαρσίες» στρατηγικά τοποθετημένες, έχει πολύ πιο ενδιαφέρουσα συμπεριφορά από την τελείως καθαρή ύλη, και η απόδειξη βρίσκεται σε όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που βασίζονται στις ιδιότητες των ημαγωγών (δίοδοι, τρανζίστορ κλπ), δηλαδή ουσιαστικά σε όλη την τεχνολογία των ηλεκτρονικών συσκευών.

Η κβαντική αιώρηση. Σε αντίθεση με τα διαμαγνητικά υλικά και τους υπεραγωγούς που η μαγνητική ροή περνάει τελείως έξω από υλικό με αποτέλεσμα να δημιουργείται μόνο απώθηση, το δισκίο του λεπτού πυρολυτικού γραφίτη που χρησιμοποιείται σ’ αυτή την περίπτωση επιτρέπει τη δημιουργία πολύ στενών «κβαντικών τούνελ» μέσα από τα οποία περνάει ένα μικρό μέρος της μαγνητικής ροής.

Το πέρασμα της μαγνητικής ροής μέσα απ' αυτά τα τούνελ προκαλεί το «κλείδωμα» του δισκίου πάνω στις μαγνητικές γραμμές, με τρόπο που να εμποδίζεται η κίνησή του παράλληλα, αλλά όχι κάθετα με αυτές. Θα μπορούσαμε να φανταστούμε το δισκίο σαν ένα "κουμπί" από ρούχο, και το μαγνητικό πεδίο σαν πολύ λεπτά σύρματα που η παραμόρφωσή τους το κρατά στον αέρα, ενώ κάποια συρματίδια που περνούν από τις τρύπες του, το σταθεροποιούν με την παραμόρφωσή τους, σε όποια θέση και να το αφήσουμε. 

Θα μπορούσαμε επίσης να σκεφτούμε, ότι η αιώρηση αυτής της τελευταίας περίπτωσης συνδυάζει τις ιδιότητες των υπεραγωγών, με "μικρή δόση" ιδιοτήτων παραμαγνητικών υλικών.

Ο συνδυασμός αυτός παράγει μια νέα ιδιότητα, αυτή του «κλειδώματος» του υπεραγώγιμου πλακιδίου σε ορισμένη «στάση» και απόσταση από τους μαγνήτες, και μάλιστα με πολύ σταθερό τρόπο.

Μην τρέξετε πάντως για να παραγγείλετε την επόμενη σανίδα του skate σας σε αιωρούμενη έκδοση. Σίγουρα θα υπάρξουν πολλές και ενδιαφέρουσες εφαρμογές της κβαντικής αιώρησης (ίσως και στο skate) στο μέλλον, αλλά προς το παρόν απολαύστε την στα κιτ επίδειξης.