Příručka zvědavého pozorovatele kvantové mechaniky, bod 7: Kvantové století

Budoucnost existuje – není rovnoměrně rozdělena.William Gibson

Jako tvůrci nástrojů jsme teprve nedávno mohli použít kvantovou mechaniku. Pochopení a manipulace s kvantovými zařízeními bylo jako získání nové a opojné supervelmoci – nyní můžeme postavit tolik věcí, které by před několika lety byly nemožné.

S některými z těchto kvantitativních technik jsme se setkali v předchozích článcích. Některé, jako kvantové tečky v televizích, jsou již známé; Jiné, například optické hodinky, existují, ale jsou velmi vzácné.

Protože toto je poslední článek o Tato sérieRád bych se podíval do blízké budoucnosti, protože kvantové technologie pravděpodobně naplní naši každodenní existenci. Člověk nemusí koukat jinam – všechny technologie, které dnes prozkoumáme, jsou již na místě. Většina z nich je stále vzácná, izolovaná v laboratořích nebo jako demonstranti technologie. Ostatní jsou na očích, například MRI přístroj místní nemocnice nebo pevný disk na stole. V tomto článku se zaměříme na některé z technik, s nimiž jsme se v předchozích článcích nesetkali: supravodivost, polarizace částic a kvantová elektronika.

Když se podíváme na tyto kvantové technologie, představíme si, jaké by to bylo žít ve světě, kde jsou kvantová zařízení všudypřítomná. Co to znamená být technickým žákem, když znalost kvantové mechaniky je předpokladem pro pochopení každodenní technologie?

Vezměte si tedy svůj dalekohled a pojďme se podívat na kvantové technologie přicházející na další hranici.

Supravodiče

V běžném vodivém drátu můžete připojit baterii a měřit, jak rychle se v ní pohybují elektrony (proud nebo počet a rychlost elektronů). Vytlačit elektrony vyžaduje určitý tlak (úsilí), a tím, že se tyto tlaky uvolní, uvolníte trochu tepla – myslete na červenou záři cívek v ohřívači místnosti nebo fénu. Obtížné protlačování elektronů látkou odpor.

Ale víme, že elektrony se pohybují jako vlny. Když ochladíte všechny atomy v látce, zvětší se velikost elektronových vln, které přenášejí elektrický proud. Jakmile se teplota dostatečně sníží, může toto zvlnění přejít z toho, že bude jemně otravné, až po charakteristický znak elektronů. Náhle se elektronové vlny spárují a pohybují se bez námahy materiálem – odpor klesá na nulu.

Teplota, při které elektronové zvlnění převezme, závisí na krystalu, ve kterém jsou elektrony umístěny, ale je vždy studená a zahrnuje teploty, při kterých se plyny, jako je dusík nebo helium, stávají kapalinami. Navzdory výzvě udržovat věci v pohodě je supravodivost tak úžasnou a užitečnou vlastností, že ji stejně používáme.

Elektromagnet. Nejrozšířenějším využitím supravodivosti jsou elektromagnety ve strojích MRI. Jako dítě jste mohli vyrobit elektromagnet tak, že omotáte vodič kolem čepu a připojíte jej k baterii. Magnety v přístroji MRI jsou podobné v tom, že se jedná pouze o velkou cívku drátu. Pokud ale vodičem protéká zhruba 1 000 ampérů proudu, magnety fungují Drahý. Obvykle to vypadá jako největší ohřívač prostoru na světě.

Odpovědí tedy je použít speciální drát a ochladit ho v heliové kapalině. Jakmile je supravodivý, můžete jej zapojit do zdroje energie a zvýšit proud (trvá to 2-3 dny – tam) Video z připojení magnetu magnetické rezonance). Pak oddělte magnety a Jít pryč. Protože zde není žádný odpor, proud bude i nadále protékat, dokud magnet udržíte v chladu. Když nemocnice nainstaluje nový přístroj na magnetickou rezonanci, magnet se při instalaci zapne, poté se odpojí a ponechá po zbytek své životnosti.

Zatímco MRI přístroje jsou nejviditelnějším příkladem, supravodivé magnety jsou ve skutečnosti velmi běžné. Každá dobrá chemická laboratoř nebo oddělení bude mít několik supravodivých magnetů ve strojích pro nukleární magnetickou rezonanci (NMR) a hmotnostních spektrometrech. Supravodivé magnety se nacházejí asi 18 km od Large Hadron Collider a objevují se jinými způsoby ve fyzikálních odděleních. Když jsme měli malý projekt, hledali jsme supravodivý magnet ze skladovací uličky za mojí laboratoří a renovovali ho. Fyzici posílají lesklé katalogy výrobců supravodivých magnetů.

Přenosová vedení. Další zřejmou aplikací je rozšíření supravodivého drátu směrem ven a jeho použití k přenosu elektřiny. Po celém světě existuje mnoho demonstračních projektů, které používají supravodivé elektrické vedení. Stejně jako u většiny průmyslových aplikací jde pouze o nalezení případů, kdy výkon supravodiče stojí za jeho vysokou cenu. Jak cena klesá, supravodivé dálkové přenosové linky se mohou stát kritickými, protože do sítě přidáváme více solární a obnovitelné větrné energie – schopnost nabíjet energii na velké vzdálenosti bez ztráty může překonat místní rozdíly ve výrobě obnovitelné energie.

Generátory a motory. Pokud máte neuvěřitelně silný supravodivý magnet, budete jej chtít použít v generátorech a motorech. Chlazení je jako vždy problém, ale silnější magnety mohou motor / generátor výrazně zmenšit a zefektivnit. To je zvláště atraktivní pro větrné turbíny (snížená hmotnost na věži) a elektromotory pro lodě a letadla (snížená hmotnost a vyšší účinnost).