Forskare vid Quantum Machines Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) studerar svävande material – ämnen som kan förbli svävande i en stabil position utan någon fysisk kontakt eller mekaniskt stöd.
Den vanligaste typen av levitation sker genom magnetfält. Föremål som supraledare eller diamagnetiska material (material som stöts bort av ett magnetfält) kan fås att sväva ovanför magneter för att utveckla avancerade sensorer för olika vetenskapliga och vardagliga användningar.
Prof. Jason Twamley, chef för enheten, och hans team av OIST-forskare och internationella medarbetare har designat en flytande plattform i ett vakuum med grafit och magneter. Anmärkningsvärt nog fungerar denna svävande plattform utan att förlita sig på externa strömkällor och kan hjälpa till med utvecklingen av ultrakänsliga sensorer för mycket exakta och effektiva mätningar. Deras resultat har publicerats i tidskriften Applied Physics Letters .
När ett externt magnetfält appliceras på "diamagnetiska" material genererar dessa material ett magnetiskt fält i motsatt riktning, vilket resulterar i en frånstötande kraft - de trycker sig bort från fältet. Därför kan föremål gjorda av diamagnetiska material sväva över starka magnetfält. Till exempel, i maglevtåg skapar kraftfulla supraledande magneter ett starkt magnetfält med diamagnetiska material för att uppnå levitation, vilket till synes trotsar gravitationen.
Grafit, den kristallina formen av kol som finns i pennor, stöts starkt bort av magneter (mycket diamagnetiska). Genom att kemiskt belägga ett pulver av mikroskopiska grafitpärlor med kiseldioxid och blanda det belagda pulvret i vax, bildade forskarna en centimeterstor tunn fyrkantig platta som svävar ovanför magneter arrangerade i ett rutmönster.
Att skapa en flytande plattform som inte kräver någon extern kraft har flera utmaningar. Den största begränsande faktorn är "virveldämpning", som uppstår när ett oscillerande system förlorar energi över tiden på grund av yttre krafter. När en elektrisk ledare, som grafit, passerar genom ett kraftfullt magnetfält, upplever den energiförlust på grund av flödet av elektriska strömmar. Denna energiförlust har avskräckt användningen av magnetisk levitation för att utveckla avancerade sensorer.
OIST-forskare satte sig för att konstruera en plattform som kan flyta och svänga utan att förlora energi – vilket betyder att när den väl sätts i rörelse kommer den att fortsätta svänga under en längre period, även utan ytterligare energiinsats. Den här typen av "friktionsfri" plattform kan ha många applikationer, inklusive nya typer av sensorer för att mäta kraft, acceleration och gravitation.
Men även om forskare lyckas minska virveldämpningen finns det en annan utmaning:att minimera den kinetiska energin hos den oscillerande plattformen. Att sänka denna energinivå är viktigt av två anledningar. För det första gör det plattformen mer känslig för användning som sensor.
För det andra kan en kylning av dess rörelse mot kvantregimen (där kvanteffekter dominerar) öppna nya möjligheter för precisionsmätningar. Därför, för att uppnå en verkligt friktionsfri, självförsörjande flytande plattform, måste både virveldämpning och kinetiska energiutmaningar lösas.
För att ta itu med dessa fokuserade forskarna på att skapa ett nytt material som härrör från grafit. Genom att kemiskt förändra det omvandlade de grafit till en elektrisk isolator. Denna förändring stoppar energiförlusterna samtidigt som det låter materialet sväva i ett vakuum.
I sin experimentella uppställning övervakade forskarna kontinuerligt plattformens rörelse. Med hjälp av denna realtidsinformation applicerade de en magnetisk återkopplingskraft för att dämpa plattformens rörelse – vilket i huvudsak kylde ner dess rörelse och saktade ner avsevärt.
"Värme orsakar rörelse, men genom att kontinuerligt övervaka och ge realtidsåterkoppling i form av korrigerande åtgärder till systemet kan vi minska denna rörelse. Återkopplingen justerar systemets dämpningshastighet, vilket är hur snabbt det förlorar energi, så genom att aktivt aktivt genom att kontrollera dämpningen, minskar vi systemets kinetiska energi och kyler effektivt ner det," förklarade prof. Twamley.
"Om den kyls tillräckligt kan vår svävande plattform överträffa även de mest känsliga atomgravimetrar som har utvecklats hittills. Dessa är banbrytande instrument som använder atomernas beteende för att exakt mäta gravitationen. För att uppnå denna precisionsnivå krävs rigorös ingenjörskonst för att isolera plattformen från externa störningar som vibrationer, magnetfält och elektriskt brus Vårt pågående arbete fokuserar på att förfina dessa system för att frigöra den fulla potentialen hos denna teknik."
Prof. Twamleys enhet fokuserar på att använda svävande material för att bygga mekaniska oscillatorer – system som har repetitiva eller periodiska rörelser runt en central punkt. Dessa svängningar förekommer i olika sammanhang, såsom pendlar, massor kopplade till fjädrar och akustiska system.
Denna forskning öppnar spännande möjligheter för ultrakänsliga sensorer och att uppnå exakt kontroll över oscillerande plattformar. Genom att kombinera levitation, isolering och realtidsfeedback tänjer prof. Twamleys team på gränserna för vad som är möjligt inom materialvetenskap och sensorteknik.
Mer information: S. Tian et al, Återkopplingskylning av en isolerande hög-Q diamagnetiskt leviterad platta, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0189219
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av Okinawa Institute of Science and Technology
