Mengapakah Magnet Boleh Terkunci di Atas Superkonduktor?

Demonstrasi superkonduktor sering kelihatan luar biasa. Sebuah magnet boleh terapung di atas cakera seramik yang disejukkan dengan nitrogen cecair, atau sebuah superkonduktor boleh bergerak sepanjang landasan magnet sambil mengekalkan kedudukannya. Namun menerangkan semua keadaan ini hanya sebagai magnet yang ditolak oleh kesan Meissner tidak mencukupi. Bagi superkonduktor jenis II, iaitu bahan suhu tinggi yang lazim digunakan dalam demonstrasi, kestabilan levitasi berkait rapat dengan pengepinan fluks magnet.

Apakah superkonduktor?

Bahan biasa mempunyai rintangan elektrik, jadi apabila arus mengalir, sebahagian tenaga elektrik lazimnya berubah menjadi haba. Superkonduktor berbeza. Di bawah suhu genting, bahan tertentu memasuki keadaan superkonduktor dan boleh membawa arus terus tanpa rintangan elektrik. Jabatan Tenaga Amerika Syarikat menerangkan bahawa bahan superkonduktor juga menunjukkan perubahan sifat magnet apabila memasuki keadaan ini.

Suhu genting bergantung pada bahan, dan istilah superkonduktor suhu tinggi juga bersifat relatif kerana bahan ini masih sangat sejuk mengikut pengalaman harian. Sebagai contoh, YBCO, bahan seramik berasaskan yttrium, barium, kuprum dan oksigen yang digunakan dalam banyak demonstrasi, mempunyai suhu genting sekitar 90 K. Bahan ini boleh disejukkan ke keadaan superkonduktor menggunakan nitrogen cecair yang mendidih sekitar 77 K pada tekanan atmosfera biasa.

Superkonduktor bukan sekadar pengalir sempurna

Satu ciri penting superkonduktiviti ialah kesan Meissner. Apabila bahan yang sesuai beralih kepada keadaan superkonduktor dalam keadaan medan yang memenuhi syarat, medan magnet dikeluarkan daripada sebahagian besar isi padu superkonduktor. Jabatan Tenaga menyatakan bahawa bahan superkonduktor mengusir medan magnet ketika beralih kepada keadaan ini. Perkara ini penting kerana superkonduktor bukan hanya bahan yang kebetulan mempunyai rintangan sifar, kerana keadaan superkonduktor mempunyai tindak balas magnet yang tersendiri. Namun gambaran bahawa semua medan magnet sentiasa dikeluarkan sepenuhnya juga terlalu mudah.

Superkonduktor jenis II membenarkan vorteks fluks

Kebanyakan superkonduktor suhu tinggi yang praktikal ialah jenis II. Dalam julat medan tertentu, medan magnet boleh menembusi bahan dalam bentuk struktur kecil yang dipanggil vorteks fluks. NIST menerangkan bahawa bagi superkonduktor jenis II, medan yang cukup tinggi boleh menembusi bahan sebagai tiub fluks terkuantum atau vorteks. Setiap vorteks membawa fluks magnet dan dikelilingi arus superkonduktor, jadi keadaan sebenar bukan sekadar medan di luar dan tiada medan di dalam. Superkonduktor jenis II boleh berada dalam keadaan bercampur, dengan kawasan superkonduktor mengelilingi vorteks magnet.

Bahan sebenar pula tidak sempurna. Struktur kristalnya mempunyai kecacatan, sempadan butiran dan ketakseragaman lain, dan sesetengah daripadanya menjadi lokasi yang menguntungkan bagi vorteks. Apabila vorteks terperangkap pada lokasi itu, fluks tersebut dikatakan dipinkan. Jika magnet cuba bergerak relatif kepada superkonduktor, susunan medan yang menembusi bahan cenderung berubah, tetapi menggerakkan vorteks yang telah dipinkan memerlukan tenaga. Sistem lalu menghasilkan daya yang menentang perubahan kedudukan itu.

Inilah sebab superkonduktor jenis II boleh menunjukkan levitasi yang sangat stabil. Kajian dalam Journal of Applied Physics menunjukkan bahawa bagi magnet di atas superkonduktor jenis II, penembusan dan pengepinan fluks boleh menstabilkan kedudukan magnet, sedangkan model kesan Meissner yang sempurna sahaja tidak menerangkan kestabilan tersebut. Kajian semakan tentang levitasi superkonduktor turut menegaskan bahawa daya pemulih dalam beberapa arah yang diperlukan untuk kestabilan berasal daripada pengepinan fluks.

Mengapa ia kelihatan terkunci?

Bayangkan superkonduktor disejukkan dalam medan magnet sebuah landasan. Apabila bahan jenis II memasuki keadaan superkonduktor dalam medan magnet yang sesuai, konfigurasi vorteks tertentu boleh terbentuk dan dipinkan. Jika superkonduktor kemudian digerakkan sedikit ke atas, ke bawah atau ke sisi, konfigurasi medan relatif cuba berubah, tetapi pengepinan menentang perubahan itu. Daya pemulih cenderung membawa sistem kembali ke sekitar konfigurasi asal.

Sebab itulah dalam demonstrasi tertentu, superkonduktor bukan sekadar berada di atas landasan. Ia juga boleh digantung di bawah landasan atau kekal pada jarak tertentu sambil bergerak sepanjang geometri medan yang sesuai. University of Colorado Boulder menunjukkan demonstrasi jenis II yang mengekalkan kedudukan stabil di atas landasan magnet dan boleh digantung dari bawah. Ini lebih tepat disebut kestabilan akibat interaksi medan dan pengepinan fluks, bukan graviti yang dimatikan.

Dari mana datangnya daya yang menahan berat?

Objek yang terapung masih mengalami graviti. Untuk berada pada ketinggian yang hampir tetap, jumlah daya menegak mestilah hampir sifar, iaitu daya magnet bersih ke atas mengimbangi berat objek bagi gambaran satu dimensi yang mudah. Jika objek beralih sedikit, kestabilan juga memerlukan daya pemulih yang cenderung mengembalikannya ke kedudukan keseimbangan.

Levitasi oleh itu tidak bermaksud objek bebas daripada graviti. Daya magnet mengimbangi beratnya, sementara struktur interaksi antara magnet dengan superkonduktor boleh menyediakan kestabilan terhadap gangguan. Jabatan Tenaga turut menerangkan demonstrasi levitasi sebagai keadaan apabila daya magnet menyeimbangkan daya graviti.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?