Como funciona a levitação quântica

Alguns vídeos na internet mostram algo chamado "levitação quântica". O que é isso? Como funciona? Poderemos ter carros voadores?

A levitação quântica, como é chamada, é um processo em que os cientistas usam as propriedades de física quântica levitar um objeto (especificamente, um supercondutor) através de um fonte magnética (especificamente uma trilha de levitação quântica projetada para essa finalidade).

A razão pela qual isso funciona é algo chamado Efeito Meissner e fixação de fluxo magnético. O efeito Meissner determina que um supercondutor em um campo magnético sempre expele o campo magnético dentro dele e, portanto, dobra o campo magnético ao seu redor. O problema é uma questão de equilíbrio. Se você colocasse um supercondutor em cima de um ímã, o supercondutor flutuaria o ímã, como tentar equilibrar dois pólos magnéticos do sul de ímãs de barra uns contra os outros de outros.

O processo de levitação quântica se torna muito mais intrigante através do processo de fixação de fluxo ou bloqueio quântico, conforme descrito pelo grupo de supercondutores da Universidade de Tel Aviv da seguinte maneira:

Supercondutividade e campo magnético [sic] não se gostam. Quando possível, o supercondutor expulsará todo o campo magnético do interior. Este é o efeito Meissner. No nosso caso, como o supercondutor é extremamente fino, o campo magnético penetra. No entanto, faz isso em quantidades discretas (isto é física 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 movam. Para evitar que o supercondutor permaneça "preso" no ar. Os termos "levitação quântica" e "bloqueio quântico" foram cunhados para esse processo pelo físico da Universidade de Tel Aviv Guy Deutscher, um dos principais pesquisadores nesse campo.

Vamos pensar no 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 material supercondutor, o supercondutor forma pequenas correntes em sua superfície, cancelando a entrada campo magnético. O resultado é que a intensidade do campo magnético dentro da superfície do supercondutor é precisamente zero. Se você mapeava as linhas líquidas do campo magnético, isso mostraria que elas estão dobradas ao redor do objeto.

Mas como isso faz levitar?

Quando um supercondutor é colocado em uma faixa magnética, o efeito é que o supercondutor permanece acima da pista, sendo essencialmente empurrado pelo forte campo magnético à direita da pista superfície. Há um limite de quão longe acima da pista ela pode ser empurrada, é claro, uma vez que o poder da repulsão magnética tem que neutralizar a força de gravidade.

Um disco de um supercondutor do tipo I demonstrará o efeito Meissner em sua versão mais extrema, chamado "diamagnetismo perfeito" e não conterá nenhum campo magnético dentro do material. Levitará, enquanto tenta evitar qualquer contato com o campo magnético. O problema é que a levitação não é estável. O objeto levitante 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 por todos os lados.)

Para ser útil, a levitação precisa ser um pouco mais estável. É aí que o bloqueio quântico entra em ação.

Um dos elementos-chave do processo de bloqueio quântico é a existência desses tubos de fluxo, chamados de "vórtice". Se um supercondutor for muito fino, ou se o supercondutor for um supercondutor do tipo II, isso custará menos energia ao supercondutor 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" através do supercondutor.

No caso descrito pela equipe de Tel Aviv acima, eles conseguiram cultivar uma película fina de cerâmica especial sobre a superfície de uma bolacha. Quando resfriado, esse material cerâmico é um supercondutor do tipo II. Por ser tão fino, o diamagnetismo exibido não é perfeito... permitindo a criação desses vórtices de fluxo que passam pelo material.

Os vórtices de fluxo também podem se formar nos supercondutores do tipo II, mesmo que o material do supercondutor não seja tão fino. O supercondutor do tipo II pode ser projetado para aprimorar esse efeito, chamado "fixação de fluxo aprimorada".

Quando o campo penetra no supercondutor na forma de um tubo de fluxo, ele essencialmente desliga o supercondutor nessa 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:

1. os vórtices de fluxo são campos magnéticos
2. 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, irá "travar" ou "prendê-lo" nessa posição. Ele percorrerá uma pista inteira com o mesmo ângulo de inclinação. Esse processo de travando o supercondutor no lugar pela altura e orientação reduz qualquer oscilação indesejável (e também é visualmente impressionante, como mostra a 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.

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. Novamente, isso envolve alguma manipulação curiosa das propriedades eletromagnéticas do material, por isso resta ver como é prático.

Infelizmente, a intensidade atual desse efeito é tal que não teremos carros voadores por algum tempo. Além disso, funciona apenas sobre um forte campo magnético, o que significa que precisaríamos construir novas estradas com trilhos magnéticos. 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 atrito. O rolamento seria capaz de girar, mas seria suspenso sem contato físico direto com o alojamento circundante, para que não houvesse atrito. Certamente haverá algumas aplicações industriais para isso, e manteremos nossos olhos abertos para quando eles chegarem às notícias.

Enquanto o vídeo inicial do YouTube foi bastante exibido na televisão, uma das primeiras aparições da cultura popular de levitação quântica real foi no episódio de 9 de novembro do livro de Stephen Colbert. O Relatório Colbert, um espetáculo político satírico político da Comedy Central. Colbert trouxe o cientista Dr. Matthew C. Sullivan do departamento de física da Ithaca College. Colbert explicou ao seu público a ciência por trás da levitação quântica desta maneira:

Como eu tenho certeza que você sabe, levitação quântica se refere ao fenômeno pelo qual as linhas de fluxo magnético fluindo através de um supercondutor do tipo II são fixados no lugar, apesar das forças eletromagnéticas que atuam sobre eles. Aprendi isso de dentro de um boné Snapple. Ele então levitou uma mini xícara do sabor de sorvete Americone Dream de Stephen Colbert. Ele conseguiu fazer isso porque eles colocaram um disco supercondutor no fundo da xícara de sorvete. (Desculpe desistir do fantasma, Colbert. Agradecemos ao Dr. Sullivan por falar conosco sobre a ciência por trás deste artigo!)