Kuantum levitasyonu kabaca kuantum fiziğinin özelliklerini kullanarak süperiletken bir cismin bir manyetik hat üzerinde havaya kaldırılması olarak adlandırılmaktadır. Bu manyetik hat, bu amaç için özel olarak tasarlanmış bir kuantum levitasyon hattı denilebilir.
Biliyorum bu tanım oldukça anlamsız gibi görünüyor, bu nedenle İsrail’in Tel Aviv Üniversitesi’nden bir süperiletkenlik araştırma grubunun hazırladığı aşağıdaki videoyu öncelikle izleyelim. Bu videoda, yaklaşık 8 santimetrelik bir diskin bir şekilde havada asılı durduğunu göreceksiniz ve hiçbir şekilde konumunu değiştirmiyor. Buna kuantum kaldırma veya kuantum levitasyon deniyor. Ancak bir kaldırma işleminden ziyade bu gördüğümüz bir tür “kilitlenme”dir. Şimdi videoyu izleyelim, ardından detaylara dönebiliriz (youtube açılmıyorsa, yazının sonundaki ted videosu izlenebilir).
Öncelikle videodaki 8 santimetrelik cismin süperiletken bir madde olduğunu göz önünde bulundurmalıyız. Bir cisim eğer süperiletken ise bu cisim bir elektrik akımını herhangi bir dirençle karşılaşmaksızın iletiyor demektir. Bu ise aslında bir kuantum mekaniksel olaydır. Belli bir kritik sıcaklığın altında bazı maddeler süperiletkenlik özelliği gösterir yani elektriği sıfır dirençle iletir. Sıfır direnç demek, elektrik akımını sağlayan elektronların madde içinde diğer elektron, atom ve iyonlarla çarpışmadan hareket etmesidir. Böyle çarpışmalar olmadığı için de enerji kaybı söz konusu değildir. Enerji kaybı olmadan elektrik iletiminin sağlanması çağımızın en büyük sorununun enerji olmasından dolayı çok önemli bir konudur. Bu kuantum özellikleri sayesinde süperiletkenler manyetik alanı dışlayabilirler. Ancak bazı durumlarda, Meissner etkisi denilen bir olay ile manyetik alan çizgileri süperiletken madde içerisinde sıkışabilir. Ortada bir manyetik alan akımı oluşur. İşte bu sırada kuantum levitasyon denilen olay gerçekleşebilir. Ancak bu bir kaldırma sürecinden ziyade tam olarak bir kilitlenme meselesidir. Yukarıdaki videoda gördüğünüz gibi eğer bir kaldırma olayı söz konusu olsaydı süperiletken cisim ters veya yan çevrildiğinde düşerdi. Oysa burada tam olarak karşılaştığımız olay bir kilitlenmedir, kuantum kilitlenmesidir.
Oda sıcaklığında henüz hiçbir madde süperiletkenlik özelliği göstermiyor, yukarıda izlediğiniz videoda 8 santimetrelik süperiletken disk İtriyum Baryum Bakır Oksit’ten oluşmaktadır ve bu madde sıvı nitrojen ile -185 santigrat dereceye kadar soğutulduğunda tam olarak süperiletkenlik özelliklerini sergileyebiliyor. İşte tam bu sıcaklıkta bu madde manyetik alanı sevmez oluyor ve manyetik alan çizgilerinin içine sızmaması için adeta ondan kaçıyor. Bu kaçışı kuantum levitasyon/kuantum kilitlenme olarak adlandırıyoruz.
Kuantum levitasyonun veya kuantum kilitlenmenin nedeni Meissner etkisi ve manyetik akının çivilenmesi olarak adlandırılan olgulara dayalıdır. Meissner etkisi bir manyetik alandaki bir süperiletken maddenin her zaman manyetik alanı dışarı atmaya, çıkarmaya çalıştığını söyler ve böylece bir süperiletken madde etrafında manyetik alan kıvrılarak yönlenir. Bu problem aslında bir denge meselesidir.
Süperiletkenlik ve manyetik alan birbirlerini sevmezler diyebiliriz. Süperiletkenler mümkün olduğunca içinde bulunduğu tüm manyetik alanı dışlayacaktır. Buna yukarıda söylediğimiz gibi Meissner etkisi denir. Bu durumda, süperiletken çok ince olduğu için manyetik alan bu süperiletken içine sızabilir. Ancak bu akı tüpleri olarak adlandırılan ayrık nicelikler halinde olur. Bu bir kuantum fiziği olgusudur ve bununla ilgili ayrıklaşmayı aşağıdaki grafikten görebilirsiniz.
Her manyetik akı tübü içinde süperiletkenlik yerel olarak yok edilir. Süperiletken madde tane sınırları gibi zayıf alanlarında manyetik tüpleri tutmaya çalışacaktır. Süperiletkenin herhangi bir uzaysal hareketi akı tüplerinin hareketine neden olacaktır.
Havada asılı duran süperiletken disk.
Tüm bu anlattıklarımızı iki soru-cevap halinde aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.
Süperiletken maddeler ve manyetik alanlar neden birbirlerinden hoşlanmazlar? Yahut neden Meissner etkisi oluşur?
Bir süperiletkende gerçekten neler olduğu hakkında düşünelim: bir süperiletken elektronların kolaylıkla akabildiği bir malzemedir. Hiçbir direnç ile karşılaşmayan elektronlar süperiletken boyunca akabilirler, yani manyetik alanlar bir süperiletken malzemeye yaklaştığında, süperiletkenin yüzeyi üzerinde küçük akımlar oluşur ve bu akımlar da gelen manyetik alanı dışlarlar. Bunun sonucunda süperiletkenin yüzeyi içinde manyetik alan yoğunluğu tam olarak sıfırdır. Eğer net manyetik alan çizgileri haritalanırsa, bu grafik süperiletken madde civarında manyetik alanın kıvrılarak yöneldiğini gösterir.
Kaldırma nasıl meydana gelir?
Bir süperiletken bir manyetik hat üzerine yerleştirildiğinde, bu hat üzerinde kalan süperiletken madde hat yüzeyi boyunca güçlü bir manyetik alan etkisi ile uzağa itilecektir. Burada manyetik alanın itme gücü yerçekimi kuvvetinin etkisine karşı koymak zorundadır, süperiletkeni uzağa itebilmek için.
Tip-1 olarak adlandırılan süperiletken malzemelerden oluşan bir disk mükemmel diamanyetizma adı verilen en uç noktadaki Meissner etkisini oluşturacaktır ve bu malzeme için herhangi bir şekilde manyetik alan yoktur. Bu nedenle manyetik alanla herhangi bir temastan kaçınmak için uzaklaşmış yani levitasyon (kaldırma) olayı gerçekleşecektir. Ancak levitasyon kararlı değildir, buradaki problem de budur. Levitasyona uğrayan cisim sürekli bir şekilde bu durumu koruyamıyor.
Bu kuantum kaldırma ya da kuantum kilitlenmenin kullanışlı olması için biraz daha kararlı olması gerekiyor.
Tel Aviv Üniversitesi’nden Boaz Almog’a göre “Kuantum kilitlenme sayesinde 2 milimetre kalınlığında süperiletken bir disk ile 1 tonluk bir otomobili havaya kaldırabilirsiniz.” Kuantum kilitlenme ile ilgili yaptığı TED konuşmasını izleyebilirsiniz:
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
What is quantum levitation?, physics.about.com
The Physics of Quantum Levitation, quantumlevitation.com
Meissner Effect, wikipedia.org
