TED日本語 - ボアズ・アルモグ: 超伝導体を浮遊させる

TED日本語

TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - ボアズ・アルモグ: 超伝導体を浮遊させる

TED Talks

超伝導体を浮遊させる
"levitates" a superconductor
ボアズ・アルモグ
Boaz Almog

内容

驚く程に薄い、直径7.5cm 程のディスクがどうやって自身の7万倍以上の重量を持つものを浮遊させることができるのでしょうか? 未来的な実演でボアズ・アルモグは、量子固定と呼ばれる現象が超伝導体のディスクを磁石製の線路上に浮遊させる仕組みを説明します。摩擦やエネルギー損失全く無しに浮遊する様子は見る人の目を釘付けにします。

Script

The phenomenon you saw here for a brief moment is called quantum levitation and quantum locking. And the object that was levitating here is called a superconductor. Superconductivity is a quantum state of matter, and it occurs only below a certain critical temperature.

Now, it's quite an old phenomenon; it was discovered 100 years ago. However, only recently, due to several technological advancements, we are now able to demonstrate to you quantum levitation and quantum locking.

So, a superconductor is defined by two properties. The first is zero electrical resistance, and the second is the expulsion of a magnetic field from the interior of the superconductor. That sounds complicated, right? But what is electrical resistance? So, electricity is the flow of electrons inside a material. And these electrons, while flowing, they collide with the atoms, and in these collisions they lose a certain amount of energy. And they dissipate this energy in the form of heat, and you know that effect. However, inside a superconductor there are no collisions, so there is no energy dissipation.

It's quite remarkable. Think about it. In classical physics, there is always some friction, some energy loss. But not here, because it is a quantum effect. But that's not all, because superconductors don't like magnetic fields. So a superconductor will try to expel magnetic field from the inside, and it has the means to do that by circulating currents. Now, the combination of both effects -- the expulsion of magnetic fields and zero electrical resistance -- is exactly a superconductor.

But the picture isn't always perfect, as we all know, and sometimes strands of magnetic field remain inside the superconductor. Now, under proper conditions, which we have here, these strands of magnetic field can be trapped inside the superconductor. And these strands of magnetic field inside the superconductor, they come in discrete quantities. Why? Because it is a quantum phenomenon. It's quantum physics. And it turns out that they behave like quantum particles.

In this movie here, you can see how they flow one by one discretely. This is strands of magnetic field. These are not particles, but they behave like particles. So, this is why we call this effect quantum levitation and quantum locking.

But what happens to the superconductor when we put it inside a magnetic field? Well, first there are strands of magnetic field left inside, but now the superconductor doesn't like them moving around, because their movements dissipate energy, which breaks the superconductivity state. So what it actually does, it locks these strands, which are called fluxons, and it locks these fluxons in place. And by doing that, what it actually does is locking itself in place. Why? Because any movement of the superconductor will change their place, will change their configuration.

So we get quantum locking. And let me show you how this works. I have here a superconductor, which I wrapped up so it'd stay cold long enough. And when I place it on top of a regular magnet, it just stays locked in midair.

(Applause)

Now, this is not just levitation. It's not just repulsion. I can rearrange the fluxons, and it will be locked in this new configuration. Like this, or move it slightly to the right or to the left. So, this is quantum locking -- actually locking -- three-dimensional locking of the superconductor. Of course, I can turn it upside down, and it will remain locked.

Now, now that we understand that this so-called levitation is actually locking, Yeah, we understand that. You won't be surprised to hear that if I take this circular magnet, in which the magnetic field is the same all around, the superconductor will be able to freely rotate around the axis of the magnet. Why? Because as long as it rotates, the locking is maintained. You see? I can adjust and I can rotate the superconductor. We have frictionless motion. It is still levitating, but can move freely all around.

So, we have quantum locking and we can levitate it on top of this magnet. But how many fluxons, how many magnetic strands are there in a single disk like this? Well, we can calculate it, and it turns out, quite a lot. One hundred billion strands of magnetic field inside this three-inch disk.

But that's not the amazing part yet, because there is something I haven't told you yet. And, yeah, the amazing part is that this superconductor that you see here is only half a micron thick. It's extremely thin. And this extremely thin layer is able to levitate more than 70,000 times its own weight. It's a remarkable effect. It's very strong.

Now, I can extend this circular magnet, and make whatever track I want. For example, I can make a large circular rail here. And when I place the superconducting disk on top of this rail, it moves freely.

(Applause)

And again, that's not all. I can adjust its position like this, and rotate, and it freely moves in this new position. And I can even try a new thing; let's try it for the first time. I can take this disk and put it here, and while it stays here -- don't move -- I will try to rotate the track, and hopefully, if I did it correctly, it stays suspended.

(Applause)

You see, it's quantum locking, not levitation. Now, while I'll let it circulate for a little more, let me tell you a little bit about superconductors. Now -- (Laughter) -- So we now know that we are able to transfer enormous amount of currents inside superconductors, so we can use them to produce strong magnetic fields, such as needed in MRI machines, particle accelerators and so on. But we can also store energy using superconductors, because we have no dissipation.

And we could also produce power cables, to transfer enormous amounts of current between power stations. Imagine you could back up a single power station with a single superconducting cable. But what is the future of quantum levitation and quantum locking? Well, let me answer this simple question by giving you an example. Imagine you would have a disk similar to the one I have here in my hand, three-inch diameter, with a single difference. The superconducting layer, instead of being half a micron thin, being two millimeters thin, quite thin. This two-millimeter-thin superconducting layer could hold 1,000 kilograms, a small car, in my hand. Amazing. Thank you.

(Applause)

ほんの一瞬 ご覧になられた現象は 量子浮揚と量子固定と呼ばれています ここに浮遊していた物体は 超電導体と呼ばれるものです 超電導では 物質は量子状態にあり 特定の臨界温度以下でしかこの現象は起きません

これ自体は昔から知られた現象です 100年前に発見されました しかし 最近の いくつかの技術の進歩によって こうやって皆さんに 量子浮揚と量子固定について披露できるようになりました

超電導体は2つの特性によって定義されます 一つ目は電気抵抗がゼロであること 二つ目は超電導体の内部から磁界を排除することです 複雑に聞こえますよね では 電気抵抗とは何でしょうか? 電気とは 物質の中の電子の流れです これらの電子が流れる中で 原子と衝突しますが この衝突によって いくらかエネルギーを失います このエネルギーはご存知のように熱という形で消失します しかし 超電導体の中では衝突は起きないのです 従って エネルギーの消失もありません

驚くべきことです考えてみてください 古典物理学では なんらかの摩擦に伴うエネルギーの消失があります しかし ここではそれはありませんこれは量子効果だからです それだけではありません超伝導体は磁界を好まないため 循環電流によって 内部から磁界を排除しようとします このように二つの現象の組み合わせである 磁界の排除と電気抵抗がゼロの状態となることによって 超伝導体となるのです

しかし ご存知のように物事はそう簡単ではありません たまに 磁界の一部である磁束が超伝導体内に残ってしまう場合があります ここにあるような適切な条件化の中で 超伝導体の内部の磁束を閉じ込めることができます このような超伝導体内部の磁束は 離散的な量で存在します なぜでしょうか?量子現象だからです量子物理学ではこうなるからです そしてこれらはまるで量子粒子のように振る舞います

この動画では 離散的にそれぞれどのように流れるか確認できます これが磁束ですこれらは粒子ではありませんが 粒子のように振る舞います そのためこのような現象を量子浮遊と量子固定と呼ぶのです

それでは磁界の中へ超伝導体を入れると どうなるでしょうか? 内部には残った磁束がありますが 超伝導体は これらが動くのを嫌います 磁束が動くとエネルギーが発散され 超伝導性が失われてしまうからです 実際には フラクソンと呼ばれる これらの鎖が固定化されるのです それによって 超伝導体自体がその場所に固定されます なぜでしょう?超伝導体が動くとフラクソンの 配置を変化させることになるからです

これによって量子固定が発生しますではこの様子をご紹介します ここに 低温状態を保つために包んだ超伝導体があります 通常の磁石の上に乗せると このように空中に留まるのです

(拍手)

これはただの浮遊でも反発でもありません フラクソンの位置を変えることで 新しい位置に固定することができます このように 右や左にずらすこともできます これが量子固定です超伝導体を実際に3次元で固定しているのです もちろん上下逆にすることも可能です そして そのまま固定されます

この浮遊現象が 実は固定現象であることだと理解いただけたので ええ 理解しましたよね 磁界が均一な状態にある このリング状の磁石に対して 超伝導体はこの磁石の軸を元に自由に回転することが可能だと聞いても驚きはないでしょう なぜでしょうか? なぜなら 回転している間は固定化が維持されるからです この様に超伝導体を ちょっと動かし回転させることもできます 摩擦の全くない運動です浮遊していますが くるくる動き回ることができます

これが量子固定でこの磁石の上を浮遊させることができます それではこの一枚のディスクにどれほどのフラクソン つまり磁束が存在しているのでしょうか? これは計算可能で かなり多く存在していることがわかります この7.5センチ程のディスク内に千億もの磁束が存在しているのです

実はまだ皆さんにご紹介していない驚くべきことがあります 驚くべきことにご覧になっている超伝導体の 厚さはとても薄くたったの0.5ミクロンしかありません この非常に薄い層が自らの重さの7万倍以上の重量を浮遊させることができるのです 驚異的な現象であり 大変強力です

この円状の磁石を大きくして 自由な線路を作る事が可能です 例えば このような大きな円状の線路を作ることができます この上に超伝導体を乗せると このようの自由に動きます

(拍手)

これだけではありません位置を調節して回すことで 新しい位置を保って動きまわります ここで今までやったことがない新しいことを行ってみましょう このディスクをここに乗せて ここに留まっている間にー 動かないで ー 線路をひっくり返してみます うまくいけば ぶら下がった状態を保つでしょう

(拍手)

これが量子固定です浮遊ではありません しばらくグルグルと回っている間に 超伝導体についてもう少し説明しましょう それでは ー(笑)ー このように 超伝導体の内部にとてつもない量の電流を送り込むことができることが分かっています これらを使ってMRIや量子加速装置のための 強力な磁界を発生させたりすることができます また 超伝導体を使えばエネルギーを損失させずに 貯蔵することもできます

更に 発電所間で膨大な量のエネルギーを送る送電線を作る事もできるでしょう 発電所一個分の電力をたった一本の超伝導体製の送電線でバックアップできることを想像してみてください 量子浮遊や量子固定の未来はどうなるでしょうか? この単純な質問に対して一つ例を出しましょう ここにあるディスクと同じようなものがあるとします 直径7.5センチ程のものですが一つ違う点があります 超伝導体における層の厚みは 0.5ミクロンの薄さである代わりに 2ミリの薄さだとしますそれでもかなり薄いです この2ミリの超伝導体の層は1000キロ分支えられるのでこの手のひらで小さな車を支えることができるのです 驚くべきことですありがとうございました

(拍手)

― もっと見る ―
― 折りたたむ ―

品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

関連動画