Левитирующая игрушка

При квантовом захвате, в отличие от обычного парения магнитов над сверхпроводником (или наоборот), висящее тело можно сдвинуть, наклонить, сместить ниже или выше по желанию. И после того как экспериментатор убрал руку, предмет «запомнит» новое положение

 

Когда этот диск попадает в поле от постоянного магнита, некоторые силовые линии проходят сквозь сверхпроводник – в этих местах возникают потоковые трубки (flux tubes). Внутри каждой такой трубки сверхпроводимость локально разрушается, несмотря на низкую температуру материала.

 

Сверхпроводник допускает существование таких трубок в своих самых «слабых» участках, где сверхпроводимость под действием поля разрушается легче, например на границах зёрен.

Однако любое движение сверхпроводника относительно силовых линий вызывает и смещение трубок. Чтобы это предотвратить, весь кусок материала остаётся запертым в воздухе – сдвигается вместе с источником удерживающего его поля.

 

Еще раз о левитирующих лягушках.

---

Левитацию диамагнетиков в магнитном поле предсказал еще Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1847 году. Он показал, что величина магнитного поля, достаточного, чтобы уравновесить гравитацию, зависит как от магнитных свойств вещества (магнитной восприимчивости ?), так и от его плотности ?. Проще всего удержать магнитом в воздухе вещество с большим отношением ?/? — например, уже упоминавшийся висмут. Однако лорд Кельвин полагал, что левитацию диамагнетика, скорее всего, нельзя будет продемонстрировать из-за технических трудностей: необходимо магнитное поле порядка 10 тесла (в 200 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Он был неправ: уже в первой половине XX века инженерам удалось добиться таких магнитных полей в обычных электромагнитах.

Появление в 1990-х годах магнитов, создающих поля до 20 Тесла (и даже выше), позволило подвешивать различные материалы, обладающие слабым диамагнетизмом, например дерево, пластик или воду. Именно такие эксперименты по левитации предметов и даже живых существ проводили физики Андрей Гейм и Майкл Берри. В 2000 году за демонстрацию левитации лягушки им была присуждена Шнобелевская премия по физике.


При обсуждении магнитной левитации часто ссылаются на теорему Ирншоу, согласно которой невозможно получить стабильную левитацию, используя только статичные макроскопические магнитные поля. Однако к диамагнетикам она неприменима: диамагнетизм вещества связан с движением электронов вокруг ядер, магнитное поле от которого не является статичным, как того требует теорема. Однако если стабильная левитация возможна, то это не обязательно значит, что любой диамагнитный предмет можно поместить в магнитное поле и он непременно будет левитировать.

Условия равновесия в эксперименте с лягушкой оказались на удивление хитрыми. Стабильная диамагнитная левитация в эксперименте возможна только вблизи точки перегиба вертикальной компоненты магнитного поля, где вторая производная равна нулю. В этой области обеспечивается устойчивость относительно отклонений по горизонтали и вертикали.


Кривые, описывающие вертикальную (Dv) и горизонтальную (Dh) устойчивость в зависимости от высоты для диамагнитной левитации в магните Биттера. Левитация устойчива, когда обе кривые выше нуля. Рисунок из статьи M. D. Simon, A. K. Geim, 2000. Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets (invited)

Геометрически зона стабильной левитации составляет около двух сантиметров. Ослабление магнитного поля в эксперименте всего на несколько процентов разрушило бы левитацию: парящее тело упало бы. Увеличение магнитного поля вело бы к нестабильностям в горизонтальной плоскости, когда тело стремилось бы вылететь из зоны левитации в центре магнита, и лишь стенки останавливали бы его от падения.

Во время экспериментов с левитацией был обнаружен еще один интересный эффект: движения лягушки меняли наведенный магнитный момент, и лягушка начинала колебаться. Из-за малости эффекта лягушке не удалось ускользнуть из соленоида (для этого, по расчетам ученых, понадобилось бы около сотни хорошо скоординированных взмахов лапками), и животное парило в положении равновесия в течение всего наблюдения, около получаса.

Технически можно заставить левитировать и человека. Как написал Андрей Гейм в статье 1998 года Everyone's Magnetism, и спрос на это есть: лидер одной религиозной секты в Англии предлагал за устройство, которое позволило бы ему воспарить перед прихожанами, миллион фунтов стерлингов. Однако, согласно оценкам из статьи, для левитации человека потребуется магнит с индукцией порядка 40 тесла и потребляемой мощностью 1 гигаватт — как у довольно крупной гидроэлектростанции.

---