¿Cómo Hizo Eso? Física Demos Levitación Cuántica

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El físico subir sachdev dio una conferencia en vivo en el perimeter institute el 1 de octubre, explicando los conceptos básicos del enredo cuántico y la levitación de superconductores.

Un pequeño cubo que flota y se mueve en el aire suena como algo salido de "Harry Potter", pero el físico de Harvard Subir Sachdev no necesita magia para levitar objetos.

Sachdev realizó una demostración de levitación con un imán y un superconductor durante una presentación en el Perimeter Institute el 1 de octubre. Los superconductores son materiales increíbles que pueden conducir electricidad con resistencia cero. Pero para generar la superconductividad, el material debe estar extremadamente frío, por lo que Sachdev vertió nitrógeno líquido que es aproximadamente de 320 grados Fahrenheit (menos 195 grados Celsius) en el superconductor para activar su estado superconductor.

"Una de las propiedades clave de los superconductores es que odia los campos magnéticos", dijo Sachdev durante su demostración de levitación. Y así, cuando el superconductor "repele" el imán, el cubo magnético se eleva en el aire. El imán caerá después de que el superconductor comience a calentarse nuevamente.

Pero los superconductores no son solo para demostraciones de levitación, dijo Sachdev. [La física genial de 7 juguetes clásicos]

"La esperanza es que estos materiales sean realmente útiles para algo", dijo Sachdev.

Los materiales superconductores deben ser extremadamente fríos para mantener su estado superconductor, y los físicos están buscando materiales que puedan servir como superconductores de alta temperatura.

Los superconductores de alta temperatura podrían tener una amplia variedad de aplicaciones, incluso en máquinas de IRM, motores, generadores, reactores de fusión y cables de potencia de baja pérdida.

Mecánica cuántica 101

Los físicos aún no están del todo seguros de qué le da a un superconductor sus propiedades magistrales y por qué la superconductividad no funciona por encima de cierta temperatura, pero Sachdev dice que cree que está muy cerca de la respuesta.

Pero para comprender cómo funciona un superconductor, "necesitas conocer algunos conceptos básicos de la mecánica cuántica", dijo Sachdev después de su demostración de levitación. La idea principal de la mecánica cuántica es que un objeto como un electrón o un fotón se comporta como una partícula y una onda, dijo Sachdev.

"Esa es una de las propiedades misteriosas clave de la mecánica cuántica", dijo Sachdev.

La otra característica rara de las partículas cuánticas es que pueden existir en múltiples lugares a la vez, un fenómeno llamado superposición. Pero la superposición es un estado frágil. En el momento en que los científicos intentan medir las partículas, el estado de superposición colapsa y las partículas llegan a existir en un solo punto. Antes de que las partículas se perturben, existen en varios lugares a la vez, y "sí, solo hay que aceptarlo", bromeó Sachdev durante su presentación.

Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es una superposición a gran escala, algo que Sachdev describió durante su charla. Las partículas se enredan cuando interactúan unas con otras. El enredo significa que cuando una acción se realiza en una partícula, afecta directamente a la pareja enredada de esa partícula, sin importar cuán alejadas estén. [Cómo funciona Quantum Enredo (Infografía)]

Sachdev dijo que una buena manera de pensar sobre esto es imaginar cómo giran dos electrones entrelazados. Los electrones giran hacia la derecha (un giro "hacia arriba") o hacia la izquierda (un giro "hacia abajo").

"¿Está el electrón izquierdo arriba o abajo?" Sachdev preguntó a la audiencia. "La respuesta es en realidad ambas cosas". Y esto es cierto para ambos electrones.

Los electrones permanecerán en este estado de superposición hasta que alguien mida una de las dos partículas. Si un electrón tiene un giro hacia arriba al ser medido, su compañero enredado adquiere instantáneamente un giro hacia abajo. Esto es cierto, sin importar cuán alejados estén los electrones, incluso si un electrón permaneció en la Tierra y el otro fue transmitido a la luna.

Sachdev dijo que cree que un tipo especial de este enredo cuántico es responsable de las propiedades magicas de los superconductores.

Un compuesto cristalino llamado YBCO (óxido de cobre ytrio bario) es el primer material que los científicos descubrieron que puede actuar como superconductor a temperaturas superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido (menos 320 grados Fahrenheit). Sachdev dijo que los átomos de cobre en esta sustancia son la parte más importante del compuesto. Los electrones alrededor de los átomos de cobre se emparejan, y "cada par de electrones está en todas partes [en el material] al mismo tiempo", dijo Sachdev mientras mostraba un diagrama de los electrones pareados. Este grupo de partículas enredadas en superposición conduce a la superconductividad.

El enredo cuántico en un superconductor es un poco más complejo, dijo Sachdev. Parece que los pares de electrones intercambian compañeros, creando lo que él llama "enredo de largo alcance".

Aprender más sobre el enredo de largo alcance, explicó Sachdev, conducirá a mejores superconductores de alta temperatura. La tecnología básica ya existe, pero otros obstáculos impiden que los superconductores de alta temperatura se utilicen a gran escala. Por ejemplo, usar superconductores como líneas de energía requeriría un enorme costo de inicio, dijo Sachdev.

"Solo piense en reemplazar todos los cables de alimentación en Nueva York", dijo Sachdev.

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