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CIENCIA. La Levitación Cuántica: ¿qué es y cómo funciona?

 Los trenes maglev, como este en Shanhgai China, esencialmente vuelan o levitan debido al campo magnético.
 Imágenes de Yaorusheng / Getty
La levitación cuántica, como se la denomina, es un proceso en el que los científicos utilizan las propiedades de la física cuántica para levitar un objeto (específicamente, un superconductor) sobre una fuente magnética (específicamente una pista de levitación cuántica diseñada para este propósito).


La ciencia de la levitación cuántica

La razón por la que esto funciona es algo llamado efecto Meissner y fijación de flujo magnético. El efecto Meissner dicta que un superconductor en un campo magnético siempre expulsará el campo magnético dentro de él y, por lo tanto, doblará el campo magnético a su alrededor. El problema es una cuestión de equilibrio. Si colocas un superconductor encima de un imán, entonces el superconductor simplemente flotará fuera del imán, como si trataras de equilibrar entre sí dos polos magnéticos sur de imanes de barra.
El proceso de levitación cuántica se vuelve mucho más intrigante a través del proceso de fijación de flujo o bloqueo cuántico.

La superconductividad y el campo magnético [sic] no se gustan entre sí. Cuando sea posible, el superconductor expulsará todo el campo magnético del interior. Este es el efecto Meissner. 
En nuestro caso, dado que el superconductor es extremadamente delgado, el campo magnético SÍ penetra. Sin embargo, lo hace en cantidades discretas (esto es por física cuántica) llamados tubos de flujo. Dentro de cada tubo de flujo magnético, la superconductividad se destruye localmente. El superconductor intentará mantener los tubos magnéticos clavados en áreas débiles (por ejemplo, límites de grano). Cualquier movimiento espacial del superconductor hará que los tubos de flujo se muevan. Para evitar que el superconductor quede "atrapado" en el aire. 

Los términos "levitación cuántica" y "bloqueo cuántico" fueron acuñados para este proceso por el físico de la Universidad de Tel Aviv , Guy Deutscher, uno de los principales investigadores en este campo.

El efecto Meissner 

Pensemos en lo que realmente es un superconductor: es un material en el que los electrones pueden fluir con mucha facilidad. Los electrones fluyen a través de superconductores sin resistencia, de modo que cuando los campos magnéticos se acercan a un material superconductor, el superconductor forma pequeñas corrientes en su superficie, cancelando el campo magnético entrante. El resultado es que la intensidad del campo magnético dentro de la superficie del superconductor es exactamente cero. 
Pero, ¿cómo lo hace levitar?
Cuando se coloca un superconductor en una pista magnética, el efecto es que el superconductor permanece por encima de la pista, esencialmente siendo empujado por el fuerte campo magnético justo en la superficie de la pista. Por supuesto, existe un límite en cuanto a qué tan lejos de la pista se puede empujar, ya que el poder de la repulsión magnética tiene que contrarrestar la fuerza de la gravedad.
Un disco de un superconductor de tipo I demostrará el efecto Meissner en su versión más extrema, que se llama "diamagnetismo perfecto", y no contendrá ningún campo magnético dentro del material. Levitará, ya que intenta evitar cualquier contacto con el campo magnético. El problema con esto es que la levitación no es estable. El objeto que levita normalmente no permanecerá en su lugar. 

Para que sea útil, la levitación debe ser un poco más estable. Ahí es donde entra en juego el bloqueo cuántico.

Tubos de flujo

Uno de los elementos clave del proceso de bloqueo cuántico es la existencia de estos tubos de flujo, llamados "vórtices". Si un superconductor es muy delgado, o si el superconductor es un superconductor de tipo II, le cuesta menos energía al superconductor permitir que parte del campo magnético penetre en el superconductor. Es por eso que se forman los vórtices de flujo, en regiones donde el campo magnético puede, en efecto, "deslizarse a través" del superconductor.
Los vórtices de flujo también se pueden formar en superconductores de tipo II, incluso si el material superconductor no es tan delgado. El superconductor tipo II puede diseñarse para mejorar este efecto, llamado "fijación de flujo mejorada".

Bloqueo cuántico

Cuando el campo penetra en el superconductor en forma de tubo de flujo, esencialmente apaga el superconductor en esa región estrecha. Imagine cada tubo como una pequeña región no superconductora en el medio del superconductor. Si el superconductor se mueve, los vórtices de flujo se moverán. Sin embargo, recuerda dos cosas:
  1. - los vórtices de flujo son campos magnéticos
  2. - el superconductor creará corrientes para contrarrestar los campos magnéticos (es decir, el efecto Meissner)
El mismo material superconductor creará una fuerza para inhibir cualquier tipo de movimiento en relación con el campo magnético. Si inclina el superconductor, por ejemplo, lo "bloqueará" o "atrapará" en esa posición. Rodará una pista completa con el mismo ángulo de inclinación. Este proceso de bloquear el superconductor en su lugar por altura y orientación, reduce cualquier oscilación indeseable. Puede reorientar el superconductor dentro del campo magnético porque su mano puede aplicar mucha más fuerza y ​​energía de la que está ejerciendo el campo.

Otros tipos de levitación cuántica

El proceso de levitación cuántica descrito anteriormente se basa en la repulsión magnética, pero se han propuesto otros métodos de levitación cuántica, incluidos algunos basados ​​en el efecto CasimirDe nuevo, esto implica una curiosa manipulación de las propiedades electromagnéticas del material, por lo que queda por ver qué tan práctico es.

El futuro de la levitación cuántica

Desafortunadamente, la intensidad actual de este efecto es tal que solo funciona sobre un campo magnético fuerte, lo que significa que necesitaríamos construir nuevas carreteras con pistas magnéticas para ver circular "coches levitadores". Sin embargo, ya existen trenes de levitación magnética en Asia que utilizan este proceso, además de los trenes de levitación electromagnética (maglev) más tradicionales.
Otra aplicación útil es la creación de cojinetes verdaderamente sin fricción. El rodamiento podría girar, pero estaría suspendido sin contacto físico directo con la carcasa circundante para que no hubiera fricción. Sin duda habrá algunas aplicaciones industriales para esto, y mantendremos los ojos abiertos para cuando lleguen las noticias.

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