Das Phänomen, das Sie hier für einen Augenblick gesehen haben, heißt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung. Und das Objekt, das hier schweben gelassen wurde, ist ein Supraleiter. Supraleitung ist ein Quantenzustand von Materie, der nur unterhalb einer kritischen Temperatur möglich ist.
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.
Es ist ein altbekanntes Phänomen, das schon vor 100 Jahren entdeckt wurde. Aber erst seit Kurzem können wir, dank technischer Fortschritte, nun die Quanten-Levitation und die Quanten-Arretierung demonstrieren.
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.
Ein Supraleiter wird durch zwei Eigenschaften bestimmt. Erstens: er besitzt keinen elektrischen Widerstand und zweitens verdrängt er Magnetfelder aus seinem Inneren. Das klingt kompliziert, nicht wahr? Aber was ist elektrischer Widerstand? Elektrizität ist der Fluss von Elektronen innerhalb eines Materials. Während sie fließen, kollidieren die Elektronen mit Atomen und verlieren bei jeder der Kollisionen einen Teil ihrer Energie. Diese Energie verlieren sie in Form von Wärme, ein Effekt den wir alle kennen. In einem Supraleiter gibt es diese Kollisionen nicht und so geht auch keine Energie verloren.
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.
Ziemlich beachtlich, wenn man drüber nachdenkt. In der klassischen Physik gibt es immer etwas Reibung und somit auch Energieverlust. Aber nicht hier, da wir von einem Quanteneffekt sprechen. Aber das ist nicht alles. Supraleiter mögen keine Magnetfelder und versuchen Magnetfelder aus ihrem Inneren zu verdrängen, was sie mithilfe von zirkulierenden Strömen erreichen können. Die Verbindung dieser beiden Eigenschaften – die Verdrängung von Magnetfeldern und das Fehlen eines elektrischen Widerstandes – ist genau das, was einen Supraleiter ausmacht.
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.
Aber Theorie und Realität stimmen nicht immer zu 100% überein, manchmal verbleiben einige Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter. Unter den richtigen Bedingungen, welche wir hier haben, können diese Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter gefangen werden. Und diese Magnetfeldlinien im Inneren des Supraleiters kommen in diskreten Mengen vor. Warum? Weil es ein Quantenphänomen ist. Es ist Quantenphysik. Und wie es sich herausstellt, verhalten sie sich wie Quantenteilchen.
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 diesem Film hier kann man sehen, wie sie diskret fließen. Es sind Bündel von Magnetfeldlinien, keine Teilchen, aber sie verhalten sich wie Teilchen. Darum nennen wir diesen Effekt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung.
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.
Was passiert nun mit dem Supraleiter, wenn wir ihn in ein Magnetfeld legen? Zuerst sind einige Bündel von Magnetfeldlinien im Inneren gefangen, aber der Supraleiter mag es nicht, wenn sie sich bewegen, da ihre Bewegungen Energie verbrauchen, und so die Supraleitung stören. Der Supraleiter arretiert diese Bündel, welche auch als Fluxonen bezeichnet werden, und hält sie so an ihrem Platz. Hierdurch arretiert sich der Supraleiter selbst an einem Ort. Warum? Weil eine Bewegung des Supraleiters auch eine Bewegung der Fluxonen bedeuten und ihre Konfiguration ändern würde.
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.
Wir erhalten also eine Quanten-Arretierung. Lassen Sie mich zeigen, wie das funktioniert. Hier habe ich einen isolierten Supraleiter. Wenn ich den jetzt auf einem normalen Magneten platziere, ist er einfach in der Luft verriegelt.
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.
(Applaus)
(Applause)
Es ist nicht einfach Levitation. Es ist nicht einfach Abstoßung. Ich kann die Fluxonen neu anordnen und alles ist in der neuen Konfiguration arretiert. z.B. so, oder etwas weiter zur Rechten oder Linken. Das ist also Quanten-Arretierung – echtes Arretieren – in drei Dimensionen wird der Supraleiter arretiert. Natürlich kann ich es auch auf den Kopf drehen und es bleibt arretiert.
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.
Jetzt verstehen wir dass die "Levitation" eigentlich eine Arretierung ist. Ja, wir verstehen das. Sie dürften jetzt nicht überrascht sein, wenn ich diesen runden Magneten nehme, in dem das Magnetfeld rund herum genau gleich ist, dass der Supraleiter sich um die Achse des Magneten frei bewegen kann. Warum? Solange er rotiert, bleibt die Arretierung bestehen. Sehen Sie? Ich kann den Supraleiter neu anordnen und rotieren lassen. Wir haben reibungslose Bewegung. Der Supraleiter schwebt noch, kann sich aber frei bewegen.
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.
Wir haben also Quanten-Verriegelung und wir können ihn auf dem Magneten schweben lassen. Aber wie viele Fluxonen – Bündel von Magnetfeldlinien – sind in einer einzigen Scheibe wie dieser? Nun, wir können es berechnen und es sind viele. Einhundert Milliarden Magnetfeldlinien auf dieser 7,5 cm großen Scheibe.
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.
Aber das ist noch nicht das Erstaunliche, ich habe eines noch verschwiegen. Das Erstaunliche ist, dass der Supraleiter, den Sie hier sehen, nur einen halben Mikrometer dick ist. Extrem dünn also. Und diese unglaublich dünne Scheibe kann mehr als das 70.000-fache seines eigenen Gewichts tragen. Ein unglaublicher starker Effekt.
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.
Diesen runden Magneten kann ich natürlich auch erweitern, um ein beliebiges Gleis zu formen. z.B. ein großes rundes Gleis wie dieses hier. Und wenn ich den Supraleiter auf dieses Gleis lege, kann es sich frei bewegen.
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.
(Applaus)
(Applause)
Und wieder ist das nicht alles. Ich kann die Position des Supraleiters ändern und ihn rotieren lassen. Er bewegt sich frei in seiner neuen Position. Und ich kann noch etwas neues ausprobieren; versuchen wir es hier zum ersten Mal. Ich kann diese Scheibe hier platzieren und während sie hier bleibt – nicht bewegen – werde ich versuchen, das Gleis auf den Kopf zu drehen und hoffentlich, wenn ich es richtig gemacht habe, bleibt die Scheibe in der Luft.
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.
(Applaus)
(Applause)
Sie können sehen, es ist Quanten-Arretierung, kein Schweben. Lassen wir die Scheibe noch ein bisschen mehr kreisen, während ich Ihnen etwas über Supraleiter erzähle. Ähm – (Gelächter) – Wir wissen also, dass wir enorme Ströme in einem Supraleiter fließen lassen können. Wir können sie auch nutzen, um starke elektromagnetische Felder zu erstellen. Solche die wir z.B. in MRTs oder Teilchenbeschleunigern benötigen. Da wir keinen Energieverlust in Supraleitern haben, können wir mit ihrer Hilfe auch Energie speichern.
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.
Und wir könnten Stromleitungen produzieren, mit denen wir enorme Strommengen zwischen Kraftwerken bewegen können. Stellen Sie sich vor, wir könnten ein einzelnes Kraftwerk mittels eines supraleitenden Kabels absichern. Aber was ist die Zukunft von Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung? Lassen Sie mich die Frage mit einem Beispiel beantworten. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Scheibe, ähnlich der in meiner Hand, mit 7,5 cm Durchmesser, aber einem entscheidenden Unterschied. Die supraleitende Scheibe ist, anstatt einem halben Mikrometer, zwei Millimeter dick, recht dick also. Diese zwei Millimeter dicke, supraleitende Scheibe könnte 1.000 Kilogramm halten, ein kleines Auto, in meiner Hand. Erstaunlich. Vielen Dank.
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.
(Applaus)
(Applause)