Kuantum Levitasyon, Nesnelerin Uçmasını veya Havada Asılı Kalmasını Nasıl Sağlar?

İnternette “kuantum levitasyon” başlıklı bazı videolar çoktan kendine yer edinmiş durumda. Peki kuantum levitasyonu nedir, nasıl çalışır, yoksa gerçekten bir gün uçan arabalara sahip olmamız mümkün mü? Hadi gelin beraber bakalım.

Kuantum levitasyon, adından da anlaşılabileceği üzere, bilim insanlarının kuantum fiziğinden yararlanarak nesneleri (spesifik olarsak süperiletkenleri) manyetik bir kaynak üzerinde (özellikle bu amaç için üretilmiş manyetik kuantum levitasyon alanları üzerinde) havalanmasını ve hareket edebilmesini amaçladığı çalışmalara verilen isimdir. 

Bilimsel Yaklaşımla Kuantum Levitasyonu

Kuantum levitasyonun beklendiği gibi çalışmasının ardındaki ana sebep/açıklama ise manyetik akı ve 1933 yılında Alman fizikçi Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld’in keşfettiği Meissner Etkisi olarak adlandırılan bir tür bilimsel olgudur.

Alman fizikçilerin 1933 yılında yaptığı bu gözlemde, manyetik alan içerisindeki bir süperiletken kritik bir sıcaklığa kadar soğutulduğunda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışına itilir. Bu şu şekilde gerçekleşmektedir:

Süperiletkenlerin sıfır elektriksel dirence sahip oluşları, onlara manyetik alanlara karşı koyabilme ya da onları itebilme yeteneğini verir. Buna “diamanyetik” özellik denmektedir. Diamanyetizma şu şekilde gerçekleşir: Yüklü bir parçacık bir eksen etrafında dönerken belli bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanının yönünü de parçacığın dönme yönü belirler. Elektron, manyetik alanı oluşturan parçacıktır (protonun etkisi yok denecek kadar azdır). Bir atomun veya molekülün elektron dizilişi/dağılımı yörüngeler üzerinde gösterildiğinde, bazı elektronların eşleşmiş bazılarınınsa dışarıda kalmış olduğu gözlenebilir. Eşleşmiş elektronlar birbirine zıt yönde dönerek birbirlerinin manyetik alan etkilerini yok ettiği için manyetik alan oluşturamazlar. Ancak dışarıda kalan elektronlar, kendilerini sıfırlayacak bir eşe sahip olmadıklarından oluşturdukları maddeye belli bir manyetik alan kazandırabilirler. Örneğin, paramanyetik (alüminyum ve magnezyum gibi) ve ferromanyetik maddeler (demir ve nikel gibi) manyetik alanlar tarafından çekilirler.

Diamanyetik özelliğe sahip süperiletken maddeler ise eşleşmiş elektronlara sahip olduğundan hem manyetik alanları yoktur hem de içinde bulundukları manyetik alan çizgilerine ters yönde mıknatıslaştırılırlar (ya da manyetik bir alan tarafından itilirler). Süperiletkenlerin sergilediği bu itilme davranışına “Meissner etkisi” veya “akı dışarlanması” adı verilir. Meissner etkisi nedeniyle bir süperiletken, bir mıknatıs üzerine yerleştirildiğinde havada asılı kalabilmektedir. Aslında mıknatıs üzerine yerleştirilen bir süperiletken cismin havada durması, iki adet mıknatıs parçasının sahip olduğu aynı kutupların (örneğin, güney kutuplarının) birbirini dengelemeye çalışması gibidir. 

Kuantum levitasyonu süreci, özellikle “kuantum kilitlenme” adlı bir olgu ile birlikte çok daha ilgi çekici hale gelmektedir. Tel Aviv Üniversitesi süperiletkenler ekibi, bu durumla ilgili şöyle bir yorum yapmaktadır:

“Süperiletken maddeler ve manyetik alanlar birbirlerinden hiç haz etmezler. Mümkün olduğunda süperiletken madde, bulunduğu tüm manyetik alanı içinden atmaya çalışacaktır. İşte bu Meissner etkisidir. Bizim durumumuzdaysa, süperiletkenler aşırı derecede zayıf olduğundan, manyetik alan süperiletkenin içerisine nüfuz edebilmektedir. Ancak bu, “akı tüpü” olarak adlandırılan bir halde (burgular şeklinde) ayrık olarak gerçekleşmektedir. Her manyetik akı tüpünün içerisinde, süperiletkenlik dışarıdan bağımsız olarak yok olmaktadır. Süperiletken madde ise, manyetik akı tüplerini daha güçsüz ve zayıf bölgelerde saklama eğilimindedir (örneğin, tane sınırlarında). Süperiletken cismin havada gerçekleştireceği herhangi bir hareket, akı tüplerinin yer değiştirmesine neden olur. Bunu önlemek adına süperiletken, sanki havada hapsolmuş edasıyla tepkisiz ve hareketsiz kalmaktadır. Buna ise kuantum kilitlenme denir.”

Bu alanın önde gelen isimlerinden Tel Aviv Üniversitesinde fizik profesörü olan Guy Deutscher’ın bizzat kendisi, “kuantum levitasyon” ve “kuantum kilitlenmesi” terimlerini bilime kazandırmıştır.

Buraya kadar kuantum levitasyonla ilgili birtakım olguları ve terimleri açıkladık ama elbette akıllarda hala bazı sorular olabilir. Şimdi de o sorulardan birkaçını cevaplarıyla birlikte ele alalım:

Süperiletken Cisimler ve Manyetik Alanlar Neden Birbirlerinden ''Haz Etmezler''?

Süperiletken bir malzeme, içerisinde elektronların çok kolay biçimde hareketlerini gerçekleştirebildiği bir maddedir. Elektronlar süperiletkenler içerisinde herhangi bir dirence maruz kalmadan hareket edebilmektedir. Bu sayede, manyetik bir alana yaklaştırılan süperiletken maddenin yüzeyinde küçük akımlar oluşur ve hem maruz kaldığı manyetik alanın etkisi hem de süperiletken maddenin yüzeyinin altında kalan manyetik alanın yoğunluğu sıfıra eşitlenir. Manyetik alan çizgilerini çıplak gözle görebilseydik, süperiletken cismin etrafında bu çizgilerin büküldüğünü gözlemleyebilirdik.

Peki bu durum süperiletkenlerin nasıl havada kalmasını sağlıyor?

Bir süperiletken nesne manyetik bir diskin üzerine yerleştirildiğinde, disk yüzeyindeki güçlü manyetik alan, süperiletkeni iterek onun havada asılı kalmasını sağlar. Tabii ki bu süperiletkenin, disk yüzeyinden ne kadar yüksekte havada kalabileceğinin de bir sınırı ve açıklaması vardır. Bu aradaki mesafe manyetik alanın uyguladığı güç ve (bu manyetik alanın tersi yönünde olan) yerçekimi kuvvetinin uyguladığı güç ikilisi tarafından belirlenmektedir.

Birinci tip (Tip 1) süperiletkenlerin oluşturduğu bir disk, “mükemmel diamanyetizma” olarak adlandırılan en aşırı noktalardaki Meissner etkisini gösterecektir. Bu tür süperiletkenlerin içerisinde hiçbir şekilde manyetik alan bulunmayacak, manyetik bir alanla herhangi bir temastan kaçınarak havada yükselecektir. Ancak buradaki tek sorun, gerçekleşecek olan “levitasyon”un (havada kalmanın) kararlı ve stabil yapıda olmayışı, yani levitasyonun gerçekleştiği nesnenin sabit bir şekilde yerini koruyamayışıdır. Kuantum levitasyonunun daha kullanışlı bir hale gelmesi için daha kararlı ve stabil bir şekilde gerçekleşmesi gerekir. İşte böyle durumlarda bunu gerçekleştirmek adına “kuantum kilitlenmesi” devreye girer.

Akı Tüpleri Nedir?

Kuantum kilitlenme olayının gerçekleşmesindeki en önemli unsurlardan biri ise “vorteks (girdap)” olarak adlandırılan bu akı tüplerinin ortaya çıkmasıdır. Eğer bir süperiletken çok ince veya Tip 2 süperiletkenler grubuna dahilse süperiletken cisim, manyetik alanın bir kısmının kendi içerisine nüfuz etmesi için daha az enerji harcar. Bu yüzden vorteks akı tüpleri, manyetik alanın süperiletkenin içine “sızabildiği” bölgelerde oluşur (Şekil 1’de birbirine yaklaşan çizgiler).

Bahsi geçen Tel Aviv’li ekibin uyguladığı bir deneyde ise, bir plakanın yüzeyine çok ince bir seramik film yerleştirilir. Soğutulduğunda bu seramik materyal, bir tür Tip 2 süperiletkene dönüşür. Ayrıca çok ince olduğundan, ortaya çıkan diamanyetizma çok da kusursuz cinsten olmaz ki bu da vorteks akı tüplerinin materyal içerisinden geçip gitmesine izin verir.

Akı Tüpleri ''Kuantum Kilitlenmesi''ne Nasıl Etki Eder?

Manyetik alan, akı tüpleri (girdaplar) halinde, bir süperiletkene nüfuz ettiğinde, o dar bölgedeki süperiletkenliği devre dışı bırakır. Her akı tüpünü bir süperiletkenin ortasında yer alan ve süperiletken olmayan küçük bölgeler olarak hayal edin (yukarıdaki şekilde bu bölgeler, birbirine yaklaşan çizgilerin temas noktalarıdır). Süperiletkenin hareket etmesi durumunda, akı tüpleri de hareket eder. Burada bilinmesi gereken 2 önemli nokta vardır:

1. Akı tüpleri, manyetik birer alandırlar.
2. Süperiletken her daim manyetik alana ters biçimde akıntılar oluşturacaktır (Meissner etkisi).

Ayrıca, bir süperiletken malzemenin kendisi de manyetik alanla ilişkili hareketleri engellemek için bir karşı güç ortaya koyacaktır. Örneğin manyetik bir alandaki levitasyonu sırasında süperiletken cismi birazcık eğerseniz, onu artık yeni pozisyonuna hapsetmiş veya “kilitlemiş” olursunuz. Aynı simetrik yapıya sahip bir manyetik alandaysa, aynı hareketi kuantum kilitlenmesini bozmadan sergileyecektir. Süperiletkenin yüksekliğini ve doğrultusunu ayarlamanız hareket esnasında istenmeyen sallanmaların ve bocalamaların da önüne geçecektir. Ayrıca eliniz, manyetik alanın uyguladığı kuvvetten daha güçlü bir kuvvet uygulayabileceği için, süperiletkenin yüksekliğini ve yönünü istediğiniz zaman yeniden ayarlayabilirsiniz. Bu olay, aşağıdaki YouTube videosundan izlenebilir:

Kuantum Levitasyonunun Geleceği

Bu etkinin süperiletkenler üzerindeki şuanki yoğunluğu ve gücü yeterli düzeyde olmadığı için, maalesef uzunca bir süre daha uçan arabalara sahip olmamız mümkün gözükmüyor. Ayrıca kuantum levitasyonu sadece çok güçlü bir manyetik alan üzerinde çalışıyor, bu da sıradan trafik yollarını, güçlü manyetik yollarla değiştirmemiz gerektiği anlamına geliyor. Ancak Asya’da alışılagelmiş elektromanyetik levitasyonla giden maglev trenlere ek olarak (ana görsele bakınız), güçlü manyetik alanlar üzerinde manyetik levitasyonla hareket eden trenler de zaten bulunuyor. 

Bir diğer yararlı uygulamasıysa, kuantum levitasyonu sayesinde tamamen sürtünmesiz rulmanlar yaratılabilmesi. Rulmanlar, günümüz teknolojisiyle, zaten minimum sürtünmeyle dönebiliyor ancak kuantum levitasyonu uygulandığında sürtünme ve direnç bu minimum düzeyin de altına, hatta sıfıra inebilir. Endüstriyel kullanım açısından bu uygulamanın çok yararlı olacağını söylemek mümkün.

Popüler Kültürde Kuantum Levitasyonu

İlk YouTube videoları yavaş yavaş televizyonlarda yerini alırken, gerçek kuantum levitasyonunun popüler kültürde ilk kez kendini ciddi anlamda gösterdiği zamanlardan birisi, Stephen Colbert’in The Colbert Report adlı Comedy Central tabanlı eleştirel politik ve bilgi şovunun 9 Kasım 2011’de yayınlanan bölümüydü. Colbert o günkü şovunda Ithaca Koleji Fizik Bölümü’nden Profesör Matthew C. Sullivan’ı konuk etmişti. Colbert izleyicisine kuantum levitasyonunun ardında yatan sebebi şu şekilde izah etmişti:

Bildiğiniz gibi, kuantum levitasyonu Tip 2 bir süperiletken içerisinden geçen manyetik akı çizgilerinin, elektromanyetizmanın bu akı tüplerine uyguladığı güçlere rağmen, bir yerde sabitlenmesi durumudur. Ben bunu bir Snapple (kutu meyve suyu markası) kapağından öğrendim.

Daha sonra, Ben&Jerry’s markasının ürettiği AmeriCone Dream isimli mini bir dondurma kabını levitasyona uğratmak (havaya kaldırmak) istedi. Normal şartlarda gerçekleşmeyecek bu olayı programında gerçekleştirebilmişti çünkü dondurma kabının tabanına süperiletken bir disk yerleştirmişti.