Το κενό μπορεί να μετατραπεί σε υπεραγωγό, αν υπήρχε ένας πανίσχυρος μαγνήτης

Ο Maxim Chernodub του Πανεπιστημίου της Τουρ της Γαλλίας πιστεύει ότι ισχυρά μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να αποσπάσουν φορτισμένα εικονικά σωματίδια από τον κενό χώρο και να τα κάνει να ρέουν ως ένα ρεύμα που δεν συναντά ποτέ καμιά αντίσταση.

Αυτή η φαινομενικά παράδοξη πρόταση είναι μια συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας της κβαντικής θεωρίας, σύμφωνα με την οποία δεν μπορούμε ποτέ να είμαστε βέβαιοι ότι ο κενός χώρος είναι πραγματικά άδειος. Αντίθετα, το κενό σφύζει από “εικονικά” σωματίδια , τα οποία εξαφανίζονται σχεδόν αμέσως μετά την εμφάνισή τους. Θα μπορούσαν να επιζήσουν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα μόνο αν δεν υπήρχε παραβίαση της αρχής διατήρησης της ενέργειας.

Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν φορτισμένα σωματίδια, που συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες, εμφανιστούν από το κενό μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Τα σωματίδια περιστρέφονται με τρόπο ώστε, το δικό τους μαγνητικό πεδίο να ευθυγραμμίζεται με το εξωτερικό πεδίο, έτσι ώστε να μειώνεται η ολική ενέργεια. Εάν όμως το μαγνητικό πεδίο είναι πολύ ισχυρό, τότε τα εικονικά σωματίδια μπορούν να γίνουν πραγματικά.

"Μπορείτε να προσθέσετε πολλά σωματίδια με κανένα σε ενέργεια”, αναφέρει ο Chernodub. Τέτοια σωματίδια έχουν όλα την ίδια κβαντική κατάσταση και μορφή, γνωστή ως συμπύκνωμα στην οποία ρέουν μαζί σαν ένα και μεταφέρουν ρεύμα χωρίς αντίσταση.

• Προηγούμενες έρευνες είχαν επικεντρωθεί σε σχετικά βαρέα σωματίδια, που ονομάζονται μποζόνια W, τα οποία ξεπηδούν από το κενό με τον τρόπο αυτό. Όμως ο Chernodub διαμόρφωσε το σενάριο με πιο ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται ρ μεσόνια, τα οποία απαιτούν λιγότερο ισχυρά μαγνητικά πεδία για να γίνουν πραγματικά..

Ένα up (u) κουάρκ και ένα αντι-κάτω (d) κουάρκ που αναδύονται από το κενό σχηματίζουν ένα θετικά φορτισμένο ρ μεσόνιο, ενώ ένα κάτω (d) κουάρκ και ;ένα αντι-up κουάρκ που αναδύονται από το κενό σχηματίζουν ένα φορτισμένο αρνητικά ρ μεσόνιο. Αν το μαγνητικό πεδίο (οι γκρι διακεκομμένες γραμμές) είναι αρκετά ισχυρό, τότε τα μεσόνια ρ γίνονται πραγματικά από virtual. Όλα αυτά μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση, και αποτελούν ένα συμπύκνωμα ρ μεσονίων. Αυτό σημαίνει ότι ρέουν μαζί ως ένα – παράλληλα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου – και μεταφέρουν ρεύμα χωρίς αντίσταση

 

Ο Chernodub υπολογίζει ότι όταν το μαγνητικό πεδίο φτάσει τα 10¹⁶ Tesla, τα συμπυκνώματα των ρο μεσονίων θα πρέπει να αναδυθούν από το κενό.

 

Ο ίδιος παρομοιάζει το συμπύκνωμα που προκύπτει με αυτό που σχηματίζεται στους συνήθεις υπεραγωγούς. Κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα υλικά δεσμεύονται μεταξύ τους στα λεγόμενα ζεύγη Cooper και μοιράζονται όλα την ίδια κβαντική κατάσταση, κι έτσι ρέουν  χωρίς τριβές. Ωστόσο, ο Paul Olesen του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης λέει ότι η ομοιότητα δεν είναι ακριβής, διότι οι συνήθεις υπεραγωγοί απωθούν τα μαγνητικά πεδία. 

Στους κανονικούς αγωγούς, τα ηλεκτρόνια – τα οποία μεταφέρουν το ρεύμα – ταξιδεύουν μέσα από ένα πλέγμα θετικών ιόντων. Κανονικά, όταν ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια χτυπήσει ένα ιόν στο πλέγμα, χάνει την ενέργεια του ως θερμότητα. Είναι αυτό που λέμε ηλεκτρική αντίσταση. Αλλά σε υπεραγώγιμα υλικά, κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, ένα ηλεκτρόνιο όταν χτυπά ένα ιόν αναγκάζει το πλέγμα να δονείται. Η δόνηση αυτή επηρεάζει ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο, με αποτέλεσμα να προσελκύεται στο πρώτο ηλεκτρόνιο. Τα δύο δεσμευμένα ηλεκτρόνια αποτελούν το λεγόμενο ζεύγος Cooper, τα οποία μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει στα δύο ηλεκτρόνια να κινούνται ως ένα, σε ένα συμπύκνωμα, άγοντας το ρεύμα χωρίς αντίσταση

• Θα μπορούσε το κενό του διαστήματος να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας; Ωραία ιδέα, υποστηρίζει ο Dmitri Kharzeev του εργαστηρίου Brookhaven, αλλά αυτό δεν θα συμβεί σύντομα. Το μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο που είναι γνωστό μέχρι σήμερα στο σύμπαν προέρχεται από τα άστρα νετρονίων ή μάγναστρα ( magnetars). Τα πεδία αυτών των άστρων φτάνουν μέχρι και 10¹¹ Tesla.
• "Αν το γήινο μαγνητικό πεδίο ήταν 17 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από ό, τι είναι τώρα, και αν θα μπορούσαμε να παράγουμε ενέργεια με κάποιο τρόπο σε ένα διαστημικό σταθμό, τότε θα είμαστε σε θέση να μεταφέρουμε ρεύμα από το διάστημα προς τη Γη προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου”, συνεχίζει π Kharzeev. “Δεν θα χρειάζονταν να υπήρχαν γραμμές παροχής ρεύματος, και θα μπορούσαμε να μεταφέρουμε ρεύμα μέσω του κενού χώρου."
• Μαγνητικά πεδία αυτής της έντασης ίσως υπήρξαν στο πρώιμο σύμπαν. Αν αυτά οδήγησαν στην υπεραγωγιμότητα, τότε τα ρεύματα που παράχθηκαν μπορεί να είχαν κάποια επίδραση στην κοσμική δομή, υποστηρίζει ο Kharzeev. Αλλά, προσθέτει, οι υψηλές θερμοκρασίες την ίδια στιγμή μπορεί να κατέστρεφαν το αποτέλεσμα.
• Σήμερα, τέτοια μαγνητικά πεδία μπορούν να εμφανιστούν στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων RHIC στο Brookhaven ή στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων LHC στη Γενεύη. Οι ερευνητές κάνουν τώρα σχέδια για να ψάξουν τα δεδομένα τους μήπως εντοπίσουν μέσα σε αυτά το φαινόμενο.

Η εργασία του Maxim Chernodub  αναμένεται να δημοσιευθεί στο Physical Review Letters.