Исследователи разработали платформу на основе графита, которая может левитировать без необходимости внешнего источника питания. Несмотря на высокую диамагнитность, новый материал является отличным изолятором, что ограничивает потери энергии из-за электропроводности. Эта магнитная технология "без трения" открывает путь к созданию новых типов сверхчувствительных датчиков для измерения ускорения и гравитации.
Левитирующие системы открывают широкие возможности для изучения некоторых из самых фундаментальных вопросов физики, таких как квантовая гравитация и механизмы гравитационно-индуцированных волновых возмущений. Большинство систем используют активные методы, основанные на использовании оптических или электромагнитных полей (оптомеханические системы).
Диамагнитная левитация, с другой стороны, является пассивной: материалы "отталкиваются" магнитным полем, которое заставляет их парить. Точнее, когда внешнее магнитное поле прикладывается к диамагнитному материалу, последний генерирует поле в противоположном направлении, отталкивая его от первого. Одним из наиболее широко изученных диамагнитных материалов является графит — кристаллизованная форма углерода, содержащаяся в грифелях карандашей. С помощью имеющихся в продаже магнитов можно легко левитировать односантиметровые плиты или куски графита. Снижение требований к напряженности магнитного поля и материалу делает его идеальным материалом для разработки датчиков.
Диамагнитная левитация также может поддерживать гораздо большие массы, чем традиционные системы. Кроме того, массивные магнитные устройства обладают большей чувствительностью в плане акселерометрии и гравиметрии — параметров, которые необходимы для изучения крупномасштабного квантового поведения. Однако техническое применение диамагнитной левитации на основе графита сопряжено с рядом проблем, таких как затухание вихревых токов. Это фактор, который значительно ограничивает магнитные колебания. Поскольку графит является электрическим проводником, при прохождении через него тока (вихревых токов) происходит уменьшение его магнитного поля.
Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи из Окинавского института науки и технологии (OIST) в Японии разработали методику, позволяющую материалу на основе графита левитировать и колебаться без потери (магнитной) энергии и без необходимости во внешнем источнике питания. Другими словами, однажды приведенная в движение, так называемая "платформа без трения" продолжает колебаться даже без дополнительных затрат энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Чтобы уменьшить затухание вихревых токов, исследователи разработали композитный графитовый изоляционный материал. Он состоит из микрочастиц графита (мезоуглеродные микробисеры диаметром 11 микрометров), покрытых диоксидом кремния и смешанных с воском. Вихревые токи могут протекать только через сеть соседних или непосредственно соприкасающихся (проводящих) частиц. Они также могут быть нарушены наличием промежутков между этими частицами. Поэтому композитный графит является очень перспективной системой для диамагнитной левитации.
"Изолирующее покрытие снижает затухание вихревых токов почти на порядок по сравнению с графитом без покрытия при том же размере частиц", — объясняют исследователи в своем отчете.
Полученный материал представляет собой тонкую квадратную пластину площадью один сантиметр, левитирующую над магнитами, расположенными в виде решетки.
Однако дополнительная сложность заключается в снижении кинетической энергии системы. Это снижение необходимо для повышения точности платформы, чтобы ее можно было использовать в качестве датчика. Эта энергия представляет собой помеху (или шум), которая может помешать измерениям датчика. Левитирующая платформа без трения должна преодолевать проблемы магнитного демпфирования и кинетической турбулентности. Композитный материал, разработанный исследователями из Окинавы, преодолевает эти проблемы благодаря системе управления движением платформы в режиме реального времени. Этот процесс заключается в запуске магнитной обратной связи, которая значительно снижает кинетическую энергию окружающей среды.
"Тепло вызывает движение [в системе], но, постоянно отслеживая его и обеспечивая обратную связь в реальном времени в виде корректирующих действий, мы можем уменьшить это движение", — объясняет руководитель исследования Дж. Твамли в пресс-релизе OIST. В частности, обратная связь регулирует скорость демпфирования системы, то есть скорость, с которой она теряет энергию. "Управляя демпфированием, мы уменьшаем кинетическую энергию системы, эффективно охлаждая ее", — говорит он.
По мнению команды, если система будет достаточно охлаждена, она сможет превзойти самые точные на сегодняшний день атомные гравиметры. Чтобы достичь такого уровня точности, платформу также необходимо было изолировать от внешних помех, таких как вибрации, магнитные поля и электрические токи. Следующей задачей исследователей станет совершенствование системы, чтобы полностью раскрыть ее потенциал.
a) Частицы графита с покрытием, смешанные с воском. b) Изображение микрошариков графита с покрытием, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Зеленые области указывают на кремний и подтверждают наличие изолирующего покрытия. c) Экспериментальная конфигурация исследования