TEDGlobal 2012
Boaz Almog: The levitating superconductor
Boaz Almog lässt einen Supraleiter "schweben"
Filmed:
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Wie kann eine superdünne, 7,5 cm große Scheibe das 70.000-fache ihres eigenen Gewichtes tragen? Mit seiner fesselnden und futuristischen Demonstration zeigt Boaz Almog, wie das Phänomen der Quanten-Arretierung eine supraleitende Scheibe über einem magnetischen Gleis schweben lassen kann – ganz ohne Reibung und ohne Energieverlust.
Boaz Almog - Quantum Researcher
Boaz Almog uses quantum physics to levitate and trap objects in midair. Call it "quantum levitation." Full bio
Boaz Almog uses quantum physics to levitate and trap objects in midair. Call it "quantum levitation." Full bio
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00:25
The phenomenon you saw here for a brief moment
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9752
4318
Das Phänomen, das Sie hier für einen Augenblick gesehen haben,
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is called quantum levitation and quantum locking.
1
14070
6389
heißt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung.
00:36
And the object that was levitating here
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20459
3889
Und das Objekt, das hier schweben gelassen wurde,
00:40
is called a superconductor.
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24348
2001
ist ein Supraleiter.
00:42
Superconductivity is a quantum state of matter,
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26349
5592
Supraleitung ist ein Quantenzustand von Materie,
00:47
and it occurs only below a certain critical temperature.
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31941
4257
der nur unterhalb einer kritischen Temperatur möglich ist.
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Now, it's quite an old phenomenon;
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36198
2346
Es ist ein altbekanntes Phänomen, das schon
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it was discovered 100 years ago.
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38544
1766
vor 100 Jahren entdeckt wurde.
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However, only recently,
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Aber erst seit Kurzem können wir,
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due to several technological advancements,
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dank technischer Fortschritte,
01:00
we are now able to demonstrate to you
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nun die Quanten-Levitation und
01:03
quantum levitation and quantum locking.
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3746
die Quanten-Arretierung demonstrieren.
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So, a superconductor is defined by two properties.
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51216
5845
Ein Supraleiter wird durch zwei Eigenschaften bestimmt.
01:12
The first is zero electrical resistance,
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57061
3456
Erstens: er besitzt keinen elektrischen Widerstand und
01:16
and the second is the expulsion of a magnetic field from the interior of the superconductor.
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60517
6889
zweitens verdrängt er Magnetfelder aus seinem Inneren.
01:23
That sounds complicated, right?
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67406
2895
Das klingt kompliziert, nicht wahr?
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But what is electrical resistance?
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70301
2872
Aber was ist elektrischer Widerstand?
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So, electricity is the flow of electrons inside a material.
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73173
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Elektrizität ist der Fluss von Elektronen innerhalb eines Materials.
01:35
And these electrons, while flowing,
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79422
3349
Während sie fließen, kollidieren die Elektronen
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they collide with the atoms, and in these collisions
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82771
2688
mit Atomen und verlieren bei jeder der Kollisionen
01:41
they lose a certain amount of energy.
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85459
2216
einen Teil ihrer Energie.
01:43
And they dissipate this energy in the form of heat, and you know that effect.
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87675
5601
Diese Energie verlieren sie in Form von Wärme, ein Effekt den wir alle kennen.
01:49
However, inside a superconductor there are no collisions,
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5919
In einem Supraleiter gibt es diese Kollisionen nicht
01:55
so there is no energy dissipation.
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99195
4692
und so geht auch keine Energie verloren.
01:59
It's quite remarkable. Think about it.
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103887
2981
Ziemlich beachtlich, wenn man drüber nachdenkt.
02:02
In classical physics, there is always some friction, some energy loss.
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106868
5079
In der klassischen Physik gibt es immer etwas Reibung und somit auch Energieverlust.
02:07
But not here, because it is a quantum effect.
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4038
Aber nicht hier, da wir von einem Quanteneffekt sprechen.
02:11
But that's not all, because superconductors don't like magnetic fields.
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116016
8686
Aber das ist nicht alles. Supraleiter mögen keine Magnetfelder
02:20
So a superconductor will try to expel magnetic field from the inside,
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124702
4317
und versuchen Magnetfelder aus ihrem Inneren zu verdrängen,
02:24
and it has the means to do that by circulating currents.
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129019
6123
was sie mithilfe von zirkulierenden Strömen erreichen können.
02:31
Now, the combination of both effects --
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135142
2990
Die Verbindung dieser beiden Eigenschaften –
02:34
the expulsion of magnetic fields and zero electrical resistance --
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138132
6000
die Verdrängung von Magnetfeldern und das Fehlen eines elektrischen Widerstandes –
02:40
is exactly a superconductor.
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144132
3168
ist genau das, was einen Supraleiter ausmacht.
02:43
But the picture isn't always perfect, as we all know,
33
147300
4216
Aber Theorie und Realität stimmen nicht immer zu 100% überein,
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and sometimes strands of magnetic field remain inside the superconductor.
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151516
7385
manchmal verbleiben einige Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter.
02:54
Now, under proper conditions, which we have here,
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158901
3654
Unter den richtigen Bedingungen, welche wir hier haben,
02:58
these strands of magnetic field can be trapped inside the superconductor.
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162555
5090
können diese Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter gefangen werden.
03:03
And these strands of magnetic field inside the superconductor,
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167645
6257
Und diese Magnetfeldlinien im Inneren des Supraleiters
03:09
they come in discrete quantities.
38
173902
2845
kommen in diskreten Mengen vor.
03:12
Why? Because it is a quantum phenomenon. It's quantum physics.
39
176747
3646
Warum? Weil es ein Quantenphänomen ist. Es ist Quantenphysik.
03:16
And it turns out that they behave like quantum particles.
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180393
3850
Und wie es sich herausstellt, verhalten sie sich wie Quantenteilchen.
03:20
In this movie here, you can see how they flow one by one discretely.
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184243
5579
In diesem Film hier kann man sehen, wie sie diskret fließen.
03:25
This is strands of magnetic field. These are not particles,
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189822
3893
Es sind Bündel von Magnetfeldlinien, keine Teilchen,
03:29
but they behave like particles.
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193715
4295
aber sie verhalten sich wie Teilchen.
03:33
So, this is why we call this effect quantum levitation and quantum locking.
44
198010
4194
Darum nennen wir diesen Effekt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung.
03:38
But what happens to the superconductor when we put it inside a magnetic field?
45
202204
6063
Was passiert nun mit dem Supraleiter, wenn wir ihn in ein Magnetfeld legen?
03:44
Well, first there are strands of magnetic field left inside,
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208267
4585
Zuerst sind einige Bündel von Magnetfeldlinien im Inneren gefangen,
03:48
but now the superconductor doesn't like them moving around,
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212852
4120
aber der Supraleiter mag es nicht, wenn sie sich bewegen,
03:52
because their movements dissipate energy,
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216972
3448
da ihre Bewegungen Energie verbrauchen,
03:56
which breaks the superconductivity state.
49
220420
2946
und so die Supraleitung stören.
03:59
So what it actually does, it locks these strands,
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223366
4358
Der Supraleiter arretiert diese Bündel,
04:03
which are called fluxons, and it locks these fluxons in place.
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227724
5752
welche auch als Fluxonen bezeichnet werden, und hält sie so an ihrem Platz.
04:09
And by doing that, what it actually does is locking itself in place.
52
233476
6288
Hierdurch arretiert sich der Supraleiter selbst an einem Ort.
04:15
Why? Because any movement of the superconductor will change their place,
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239764
9216
Warum? Weil eine Bewegung des Supraleiters auch eine Bewegung der Fluxonen bedeuten
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will change their configuration.
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248980
1807
und ihre Konfiguration ändern würde.
04:26
So we get quantum locking. And let me show you how this works.
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250787
5297
Wir erhalten also eine Quanten-Arretierung. Lassen Sie mich zeigen, wie das funktioniert.
04:31
I have here a superconductor, which I wrapped up so it'd stay cold long enough.
56
256084
5760
Hier habe ich einen isolierten Supraleiter.
04:37
And when I place it on top of a regular magnet,
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261844
4464
Wenn ich den jetzt auf einem normalen Magneten platziere,
04:42
it just stays locked in midair.
58
266308
3872
ist er einfach in der Luft verriegelt.
04:46
(Applause)
59
270180
4065
(Applaus)
04:50
Now, this is not just levitation. It's not just repulsion.
60
274245
4046
Es ist nicht einfach Levitation. Es ist nicht einfach Abstoßung.
04:54
I can rearrange the fluxons, and it will be locked in this new configuration.
61
278291
5121
Ich kann die Fluxonen neu anordnen und alles ist in der neuen Konfiguration arretiert.
04:59
Like this, or move it slightly to the right or to the left.
62
283412
4024
z.B. so, oder etwas weiter zur Rechten oder Linken.
05:03
So, this is quantum locking -- actually locking -- three-dimensional locking of the superconductor.
63
287436
7751
Das ist also Quanten-Arretierung – echtes Arretieren – in drei Dimensionen wird der Supraleiter arretiert.
05:11
Of course, I can turn it upside down,
64
295187
2160
Natürlich kann ich es auch auf den Kopf drehen
05:13
and it will remain locked.
65
297347
2906
und es bleibt arretiert.
05:16
Now, now that we understand that this so-called levitation is actually locking,
66
300253
9222
Jetzt verstehen wir dass die "Levitation" eigentlich eine Arretierung ist.
05:25
Yeah, we understand that.
67
309475
4314
Ja, wir verstehen das.
05:29
You won't be surprised to hear that if I take this circular magnet,
68
313789
4262
Sie dürften jetzt nicht überrascht sein, wenn ich diesen runden Magneten nehme,
05:33
in which the magnetic field is the same all around,
69
318051
3968
in dem das Magnetfeld rund herum genau gleich ist,
05:37
the superconductor will be able to freely rotate around the axis of the magnet.
70
322019
5936
dass der Supraleiter sich um die Achse des Magneten frei bewegen kann.
05:43
Why? Because as long as it rotates, the locking is maintained.
71
327955
6024
Warum? Solange er rotiert, bleibt die Arretierung bestehen.
05:49
You see? I can adjust and I can rotate the superconductor.
72
333979
6026
Sehen Sie? Ich kann den Supraleiter neu anordnen und rotieren lassen.
05:55
We have frictionless motion. It is still levitating, but can move freely all around.
73
340005
6662
Wir haben reibungslose Bewegung. Der Supraleiter schwebt noch, kann sich aber frei bewegen.
06:02
So, we have quantum locking and we can levitate it on top of this magnet.
74
346667
9280
Wir haben also Quanten-Verriegelung und wir können ihn auf dem Magneten schweben lassen.
06:11
But how many fluxons, how many magnetic strands are there in a single disk like this?
75
355947
6496
Aber wie viele Fluxonen – Bündel von Magnetfeldlinien – sind in einer einzigen Scheibe wie dieser?
06:18
Well, we can calculate it, and it turns out, quite a lot.
76
362443
2881
Nun, wir können es berechnen und es sind viele.
06:21
One hundred billion strands of magnetic field inside this three-inch disk.
77
365324
7368
Einhundert Milliarden Magnetfeldlinien auf dieser 7,5 cm großen Scheibe.
06:28
But that's not the amazing part yet, because there is something I haven't told you yet.
78
372692
4104
Aber das ist noch nicht das Erstaunliche, ich habe eines noch verschwiegen.
06:32
And, yeah, the amazing part is that this superconductor that you see here
79
376796
5616
Das Erstaunliche ist, dass der Supraleiter, den Sie hier sehen,
06:38
is only half a micron thick. It's extremely thin.
80
382412
7525
nur einen halben Mikrometer dick ist. Extrem dünn also.
06:45
And this extremely thin layer is able to levitate more than 70,000 times its own weight.
81
389937
9562
Und diese unglaublich dünne Scheibe kann mehr als das 70.000-fache seines eigenen Gewichts tragen.
06:55
It's a remarkable effect. It's very strong.
82
399499
5833
Ein unglaublicher starker Effekt.
07:01
Now, I can extend this circular magnet,
83
405332
3577
Diesen runden Magneten kann ich natürlich auch erweitern,
07:04
and make whatever track I want.
84
408909
4781
um ein beliebiges Gleis zu formen.
07:09
For example, I can make a large circular rail here.
85
413690
3929
z.B. ein großes rundes Gleis wie dieses hier.
07:13
And when I place the superconducting disk on top of this rail,
86
417619
6883
Und wenn ich den Supraleiter auf dieses Gleis lege,
07:20
it moves freely.
87
424502
4109
kann es sich frei bewegen.
07:24
(Applause)
88
428611
9381
(Applaus)
07:33
And again, that's not all. I can adjust its position like this, and rotate,
89
437992
4741
Und wieder ist das nicht alles. Ich kann die Position des Supraleiters ändern und ihn rotieren lassen.
07:38
and it freely moves in this new position.
90
442733
6441
Er bewegt sich frei in seiner neuen Position.
07:45
And I can even try a new thing; let's try it for the first time.
91
449174
4438
Und ich kann noch etwas neues ausprobieren; versuchen wir es hier zum ersten Mal.
07:49
I can take this disk and put it here,
92
453612
5944
Ich kann diese Scheibe hier platzieren
07:55
and while it stays here -- don't move --
93
459556
2984
und während sie hier bleibt – nicht bewegen –
07:58
I will try to rotate the track,
94
462540
6558
werde ich versuchen, das Gleis auf den Kopf zu drehen
08:04
and hopefully, if I did it correctly,
95
469098
2299
und hoffentlich, wenn ich es richtig gemacht habe,
08:07
it stays suspended.
96
471397
2143
bleibt die Scheibe in der Luft.
08:09
(Applause)
97
473540
9449
(Applaus)
08:18
You see, it's quantum locking, not levitation.
98
482989
6841
Sie können sehen, es ist Quanten-Arretierung, kein Schweben.
08:25
Now, while I'll let it circulate for a little more,
99
489830
4135
Lassen wir die Scheibe noch ein bisschen mehr kreisen,
08:29
let me tell you a little bit about superconductors.
100
493965
3703
während ich Ihnen etwas über Supraleiter erzähle.
08:33
Now -- (Laughter) --
101
497668
5546
Ähm – (Gelächter) –
08:39
So we now know that we are able to transfer enormous amount of currents inside superconductors,
102
503214
7023
Wir wissen also, dass wir enorme Ströme in einem Supraleiter fließen lassen können.
08:46
so we can use them to produce strong magnetic fields,
103
510237
5223
Wir können sie auch nutzen, um starke elektromagnetische Felder zu erstellen.
08:51
such as needed in MRI machines, particle accelerators and so on.
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515460
5186
Solche die wir z.B. in MRTs oder Teilchenbeschleunigern benötigen.
08:56
But we can also store energy using superconductors,
105
520646
4560
Da wir keinen Energieverlust in Supraleitern haben, können wir mit ihrer Hilfe
09:01
because we have no dissipation.
106
525206
1889
auch Energie speichern.
09:02
And we could also produce power cables, to transfer enormous amounts of current between power stations.
107
527095
7182
Und wir könnten Stromleitungen produzieren, mit denen wir enorme Strommengen zwischen Kraftwerken bewegen können.
09:10
Imagine you could back up a single power station with a single superconducting cable.
108
534277
9006
Stellen Sie sich vor, wir könnten ein einzelnes Kraftwerk mittels eines supraleitenden Kabels absichern.
09:19
But what is the future of quantum levitation and quantum locking?
109
543283
4476
Aber was ist die Zukunft von Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung?
09:23
Well, let me answer this simple question by giving you an example.
110
547759
7139
Lassen Sie mich die Frage mit einem Beispiel beantworten.
09:30
Imagine you would have a disk similar to the one I have here in my hand,
111
554898
6413
Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Scheibe, ähnlich der in meiner Hand,
09:37
three-inch diameter, with a single difference.
112
561311
3879
mit 7,5 cm Durchmesser, aber einem entscheidenden Unterschied.
09:41
The superconducting layer, instead of being half a micron thin,
113
565190
5185
Die supraleitende Scheibe ist, anstatt einem halben Mikrometer,
09:46
being two millimeters thin, quite thin.
114
570375
3088
zwei Millimeter dick, recht dick also.
09:49
This two-millimeter-thin superconducting layer could hold 1,000 kilograms, a small car, in my hand.
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573463
10735
Diese zwei Millimeter dicke, supraleitende Scheibe könnte 1.000 Kilogramm halten, ein kleines Auto, in meiner Hand.
10:00
Amazing. Thank you.
116
584198
3296
Erstaunlich. Vielen Dank.
10:03
(Applause)
117
587494
15080
(Applaus)
ABOUT THE SPEAKER
Boaz Almog - Quantum ResearcherBoaz Almog uses quantum physics to levitate and trap objects in midair. Call it "quantum levitation."
Why you should listen
In October 2011, Boaz Almog demonstrated how a superconducting disk can be trapped in a surrounding magnetic field to levitate above it, a phenomenon called “quantum levitation.” This demonstration, seemingly taken from a sci-fi movie, is the result of many years of R&D on high-quality superconductors. By using exceptional superconductors cooled in liquid nitrogen, Almog and his colleague Mishael Azoulay at the superconductivity group at Tel Aviv University (lead by Prof. Guy Deutscher) were able to demonstrate a quantum effect that, although well known to physicists worldwide, had never been seen and demonstrated in such a compelling way.
Experiment credits:
Prof. Guy Deutscher, Mishael Azoulay and Boaz Almog
High Tc Superconductivity Group
School of Physics and Astronomy
Tel Aviv University
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Boaz Almog | Speaker | TED.com