Hiện tượng bay lơ lửng của chất siêu dẫn

Làm thế nào một cái đĩa siêu mỏng, đường kính ba inch (7.62cm) có thể nâng một trọng lượng bằng 70000 lần trọng lượng của nó? Qua một màn trình diễn hấp dẫn, đầy hứa hẹn về tương lai, Boaz Almog chỉ ra làm thế nào hiên tượng khoá lượng tử có thể cho phép một cái đĩa siêu dẫn lơ lửng trên một đường ray nam châm -- hoàn toàn không có ma sát và không thất thoát năng lượng.

Hiện tượng rất ngắn bạn đang thấy ở đây

được gọi là đệm lượng tử và khoá lượng tử.

Và vật đang bay ở đây
được gọi là chất siêu dẫn.

Hiện tượng siêu dẫn
là một trạng thái lượng tử của vật chất

và nó chỉ xảy ra khi
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn.

Hiện tượng này không có gì mới mẻ;

được phát hiện 100 năm trước.

Tuy nhiên, mãi đến gần đây,
nhờ vào một vài tiến bộ trong công nghệ,

chúng tôi mới có thể biểu diễn cho bạn xem
thế nào là đệm lượng tử và khoá lượng tử.

Chất siêu dẫn được xác định
bởi hai đặc tính.

Một là điện trở bằng không,

và hai là từ trường
bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn.

Nghe có vẻ phức tạp quá, đúng không?

Nhưng điện trở là gì?

Điện là dòng dịch chuyển electron
bên trong vật chất.

Và electron, khi dịch chuyển,
va chạm với các nguyên tử,

làm thất thoát năng lượng,

năng lượng mất mát
tỏa ra dưới dạng nhiệt năng

và các bạn đều biết hiệu ứng này.

Tuy nhiên, bên trong chất siêu dẫn
không có va chạm,

do đó, không có sự mất mát năng lượng.

Nó khá độc đáo. Nghĩ thử xem.

Trong vật lý cổ điển,
luôn có ma sát và mất mát năng lượng.

Ở đây hoàn toàn không có những điều đó,
vì nó là hiệu ứng lượng tử.

Nhưng đó chưa phải tất cả,

vì chất siêu dẫn không thích từ trường,

nên nó sẽ cố đẩy từ trường ra khỏi nó,

và nó xảy ra được
là nhờ các dòng mặt (siêu dòng).

Sự kết hợp của cả hai hiệu ứng --

sự đẩy từ trường ra bên ngoài
và điện trở bằng không --

chính là thứ tạo thành chất siêu dẫn.

Nhưng thực tế, không phải lúc nào
nó xảy ra chính xác như vậy

như ta biết, đôi khi, một số đường sức từ
còn sót lại bên trong chất siêu dẫn.

Ở điều kiện xác định, như ta có ở đây,

những đường sức từ này
có thể bị giam trong chất siêu dẫn.

Và những đường sức từ
bên trong chất siêu dẫn,

tồn tại dưới dạng lượng tử (hạt).

Tại sao?

Vì nó là hiện tượng lượng tử,
vật lý lượng tử.

Và thực tế, nó hoạt động
như các hạt trong vật lí lượng tử.

Trong đoạn phim này, bạn có thể thấy
chúng di chuyển như những hạt riêng lẻ.

Đây là những đường sức từ,
không phải là các hạt,

nhưng nó hoạt động như các hạt.

Đây là lý do ta gọi hiệu ứng này
là đệm lượng tử và khoá lượng tử.

Nhưng điều gì xảy ra với chất siêu dẫn
khi ta đặt nó vào một từ trường?

Đầu tiên, vài đường sức từ
sót lại bên trong chất siêu dẫn,

nhưng chất siêu dẫn
không muốn chúng di chuyển lung tung,

vì chuyển động của chúng
gây mất mát năng lượng,

làm phá vỡ trạng thái siêu dẫn.

Nên chất siêu dẫn khoá các đường sức từ
được gọi là fluxon này lại,

và giữa chúng ở yên một chỗ.

Làm như thế, nó tự cố định chính nó.

Vì sao?

Vì bất kì chuyển động nào
của chất siêu dẫn

sẽ làm thay đổi vị trí
và cách sắp xếp bên trong nó.

Nhờ vậy ta có hiện tượng khoá lượng tử.

Để tôi chỉ cho bạn thấy cách hoạt động nó.

Ở đây, tôi có một chất siêu dẫn,
đã được bọc lại để giữ lạnh.

Khi tôi đặt nó
lên trên một nam châm thường,

nó được giữ cố định giữa không trung.

(Vỗ tay)

Không chỉ có sự nâng lên,
không chỉ là lực đẩy.

Tôi có thể tái phân bố các fluxon,
và nó sẽ bị khóa theo một cách khác.

Như thế này, hoặc đẩy nó sang trái
hay sang phải một chút.

Đây là khoá lượng tử --

khoá thật sự chất siêu dẫn
theo cả ba chiều.

Dĩ nhiên, tôi có thể lật ngược lại,
và nó vẫn bị khoá như vậy.

Giờ ta hiểu
sự nâng lên này thực chất là sự khoá.

Phải, ta hiểu điều đó.

Bạn sẽ không ngạc nhiên khi nghe
tôi lấy nam châm tròn này,

từ trường bên trong nam châm
là từ trường đều,

chất siêu dẫn có thể xoay tự do
quanh trục nam châm.

Vì sao?

Vì chừng nào nó còn xoay,
chừng đó sự khoá chặt vẫn được duy trì.

Bạn thấy không?

Tôi có thể điều chỉnh vị trí của nó,
và làm nó xoay.

Ta có chuyển động không ma sát.

Nó vẫn đang lơ lửng,
đồng thời chuyển động tự do trên nam châm.

Vậy ta có khoá lượng tử
và có thể nâng nó lơ lửng trên nam châm.

Nhưng có bao nhiêu fluxon,
bao nhiêu đường sức từ

trong một đĩa như thế này?

Đây là điều ta có thể tính được,
và kết quả là rất nhiều.

Một trăm tỉ đường sức từ

nằm trong chiếc đĩa ba inch (7.62cm) này.

Nhưng đó chưa phải là điều tuyệt vời nhất,
vì còn một điều tôi vẫn chưa nói với bạn.

Và, phải, điều tuyệt vời là
chất siêu dẫn bạn thấy ở đây

chỉ dày nửa micrômét
(0.5x10^(-6)mét).

Nó vô cùng mỏng.

Và lớp màng mỏng này

có khả năng nâng một vật có trọng lượng
hơn 70.000 lần trọng lượng của nó.

Một hiệu ứng rất đặc biệt.
Rất mạnh.

Tôi có thể thay nam châm tròn này
thành bất kì loại đường ray nào tôi muốn.

Ví dụ, ở đây, tôi có thể tạo ra
một đường ray tròn lớn.

Và khi tôi đặt đĩa siêu dẫn
lên trên đường ray này,

nó chuyển động tự do.

(Vỗ tay)

Và, một lần nữa,
đó chưa phải là tất cả.

Tôi có thể điều chỉnh
vị trí của nó như thế này, và xoay nó,

và nó chuyển động tự do
ở vị trí mới này.

Và tôi thậm chí có thể thử vài điều mới;
cùng thử làm điều này lần đầu nhé.

Tôi có thể lấy cái đĩa này
và đặt nó ở đây,

và khi nó đang ở đây, chưa di chuyển,

tôi sẽ cố xoay đường ray,

và mong rằng nếu tôi làm đúng,

nó vẫn được giữ tại đó.

(Vỗ tay)

Bạn thấy đấy, nó là khoá lượng tử,
không phải sự nâng lên.

Giờ khi tôi cho nó xoay thêm một chút nữa,

để tôi cho bạn biết thêm
một vài điều về chất siêu dẫn.

Bây giờ -- (Tiếng cười).

Ta biết rằng có thể truyền tải
dòng điện rất lớn bằng chất siêu dẫn.

Và dùng chúng để tạo ra từ trường mạnh,

cần trong máy chụp cộng hưởng từ,
máy gia tốc hạt, vân vân.

Ta cũng có thể dùng chất siêu dẫn
để lưu trữ năng lượng,

vì không có
sự thất thoát năng lượng ở đây.

Và ta cũng có thể sản xuất cáp siêu dẫn

truyền tải lượng lớn điện năng
giữa các trạm điện.

Thử tưởng tượng bạn có thể
truyền tải điện năng của một trạm điện

chỉ với một sợi cáp siêu dẫn.

Nhưng đâu mới là tương lai
của đệm lượng tử và khoá lượng tử?

Tôi sẽ trả lời câu hỏi đơn giản này
bằng cách đưa ra một ví dụ.

Hãy tưởng tượng bạn có một đĩa
giống như cái đĩa trong tay tôi.

có đường kính ba inch (7.62cm),
nhưng có một điểm khác biệt.

Lớp màng siêu dẫn này,
thay vì dày nửa micrômét (0.5x10^(-6) m).

thì lại dày hai milimet, cũng khá mỏng.

Lớp màng siêu dẫn dày hai milimet này
có thể nâng 1000 kilogram,

bằng trọng lượng của một chiếc xe hơi nhỏ,

đang nằm trong tay tôi.

Thật tuyệt vời.

Cảm ơn các bạn.

(Vỗ tay)