Справочник любопытного наблюдателя по квантовой механике, часть 7: квантовый век

Будущее действительно существует – оно распределяется неравномерно.Уильям Гибсон

Как производители инструментов, только недавно мы смогли использовать квантовую механику. Понимание и управление квантовыми устройствами было похоже на получение новой опьяняющей сверхдержавы – мы можем создать так много вещей, которые были бы невозможны всего несколько лет назад.

Мы встречались с некоторыми из этих количественных методов в предыдущих статьях. Некоторые из них, например квантовые точки в телевизорах, уже знакомы; Другие, например, оптические часы, существуют, но очень редко.

Потому что это последняя статья о Эта серияЯ хотел бы заглянуть в ближайшее будущее, поскольку квантовые технологии, вероятно, наполнят нашу повседневную жизнь. Не нужно отводить взгляд – все технологии, которые мы будем исследовать сегодня, уже внедрены. Большинство из них все еще редки, изолированы в лабораториях или в качестве демонстраторов технологий. Другие находятся на виду, например, аппарат МРТ в местной больнице или жесткий диск на вашем столе. В этой статье давайте сосредоточимся на некоторых методах, с которыми мы не сталкивались в предыдущих статьях: сверхпроводимости, поляризации частиц и квантовой электронике.

Когда мы смотрим на эти квантовые технологии, мы представляем, каково было бы жить в мире, где квантовые устройства распространены повсеместно. Что значит быть техническим учеником, когда знание квантовой механики является предпосылкой для понимания повседневных технологий?

Так что возьмите в руки бинокль, и давайте взглянем на новые квантовые технологии.

Сверхпроводники

К обычному проводящему проводу вы можете прикрепить батарею и измерить скорость движения электронов через нее (ток или количество и скорость электронов). Требуется некоторое давление (усилие), чтобы протолкнуть электроны, и при таком толчке выделяется немного тепла – подумайте о красном свечении катушек в обогревателе или фене. Сложность проталкивания электронов через вещество сопротивление.

Но мы знаем, что электроны движутся как волны. Когда вы охлаждаете все атомы в веществе, размер электронных волн, переносящих электрический ток, становится больше. Как только температура станет достаточно низкой, эта пульсация может превратиться из легкого раздражения в характерный признак электронов. Внезапно электронные волны объединяются и без усилий движутся через материал – сопротивление падает до нуля.

Температура, при которой возникает электронная пульсация, зависит от кристалла, в котором находятся электроны, но он всегда холодный и включает температуры, при которых газы, такие как азот или гелий, становятся жидкими. Несмотря на то, что поддерживать охлаждение необходимо, сверхпроводимость – такое удивительное и полезное свойство, что мы все равно его используем.

Электромагнит. Наиболее распространенное применение сверхпроводимости – это электромагниты в аппаратах МРТ. В детстве вы могли сделать электромагнит, намотав провод на шпильку и прикрепив провод к батарее. Магниты в аппарате МРТ похожи тем, что представляют собой просто большую катушку с проволокой. Но когда у вас есть примерно 1000 ампер тока, протекающего через провод, магниты продолжают работать. Дорогой. Обычно он выглядит как самый большой обогреватель в мире.

Итак, ответ – использовать специальную проволоку и охладить ее в гелиевой жидкости. Как только он станет сверхпроводящим, вы можете подключить его к источнику питания и увеличить ток (это займет 2-3 дня – там Видео по установке магнита МРТ). Затем вы отделяете магниты и Уходи. Поскольку сопротивления нет, ток будет продолжать течь, пока вы держите магнит в холодном состоянии. Когда в больнице устанавливается новый аппарат МРТ, магнит включается при установке, затем отсоединяется и остается включенным до конца его срока службы.

Хотя аппараты МРТ являются наиболее очевидным примером, сверхпроводящие магниты на самом деле очень распространены. В любой хорошей химической лаборатории или отделении будет несколько сверхпроводящих магнитов в машинах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и масс-спектрометрах. Линия сверхпроводящего магнита расположена в 18 км от LHC и другими способами проявляется на факультетах физики. Когда у нас был небольшой проект, мы искали сверхпроводящий магнит из хранилища позади моей лаборатории и отремонтировали его. Физики рассылают блестящие каталоги производителей сверхпроводящих магнитов.

Линии передачи. Следующее очевидное применение – удлинить сверхпроводящий провод наружу и использовать его для передачи электричества. По всему миру существует множество демонстрационных проектов, в которых используются сверхпроводящие линии электропередачи. Как и в случае с большинством промышленных приложений, остается только найти примеры, в которых характеристики сверхпроводника оправдывают свою высокую цену. По мере падения цены сверхпроводящие линии передачи на большие расстояния могут стать критически важными, поскольку мы добавляем в сеть больше солнечной и возобновляемой энергии ветра – возможность заряжать энергию на большие расстояния без потерь может преодолеть местные различия в производстве возобновляемой энергии.

Генераторы и двигатели. Если у вас есть невероятно сильный сверхпроводящий магнит, вы захотите использовать его в генераторах и двигателях. Как всегда, охлаждение является проблемой, но более сильные магниты могут сделать двигатель / генератор значительно меньше и более эффективным. Это особенно привлекательно для ветряных турбин (уменьшенный вес на башне) и электродвигателей для лодок и самолетов (уменьшенный вес и повышенная эффективность).