Новая конструкция ротора, выполненного исключительно из графита, сохраняет сильную левитацию и может войти в квантовый режим для продвинутых физических экспериментов.
На фотографии изображен черный графитовый диск, парящий над тремя сложенными друг на друга круглыми магнитами.
Адриан Сков (OIST)
Группа исследователей из Окинавского института науки и технологий (OIST) в пятницу объявила, что достигла важного этапа в развитии технологии левитации, устранив затухание вихревых токов в макроскопических левитирующих системах.
Эта разработка может произвести революцию в области точных измерений и открыть новые возможности для квантовых исследований.
Левитация веками завораживала как артистов, так и учёных. В то время как фокусники используют иллюзии, чтобы заставить предметы парить, физики изучают левитацию ради её практических преимуществ.
В науке левитация помогает изолировать объекты от физических возмущений, таких как трение, что делает ее полезной для изучения гравитации, давления газа и момента импульса.
Последняя разработка команды OIST сочетает в себе простоту и точность. Используя графитовый диск диаметром один сантиметр и несколько редкоземельных магнитов, они создали левитирующий ротор, способный свободно вращаться без потери энергии из-за вихревых токов.
Как команда преодолела вихретоковое затухание
Вихревые токи возникают при движении проводящего материала в магнитном поле, создавая небольшие круговые токи, которые оказывают сопротивление движению, подобно трению. Эти токи полезны в таких устройствах, как тормоза поездов и электроинструменты, но они представляют собой проблему для прецизионных систем левитации.
«Используя графитовый диск диаметром один сантиметр и несколько редкоземельных магнитов, мы экспериментально продемонстрировали и аналитически доказали, как создать диамагнитный левитирующий ротор, который вообще не испытывает затухания вихревых токов благодаря осевой симметрии», — пояснил Дэхи Ким, аспирант и первый автор исследования.
«Если мы сможем достаточно замедлить его вращение, его движение войдет в квантовый режим, что может открыть совершенно новую платформу для квантовых исследований».
В предыдущих экспериментах команда уменьшала демпфирование, используя графитовую пластину, смешанную с порошком, покрытым кремнием, и залитую воском. Такая конструкция ограничивала вихревые токи, но также снижала силу левитации из-за добавления материала.
Новый ротор, изготовленный исключительно из графита, сохраняет полную левитационную силу, устраняя при этом нежелательное сопротивление.
Шаг к квантовой точности
Новый левитирующий ротор работает благодаря своей вращательной симметрии. В отличие от пластин, которые движутся вверх и вниз в переменных магнитных полях, вращающийся ротор находится в постоянном магнитном потоке. Это предотвращает образование вихревых токов, которые обычно замедляют движение.
«Конструкция пластины испытывает небольшое затухание вихревых токов при движении вверх и вниз, поскольку магнитная сила (или поток) изменяется, образуя вихревые токи внутри покрытых кремнием графитовых зерен», — сказал профессор Джейсон Твэмли, руководитель отдела квантовых машин в OIST и старший автор исследования.
«Но ротор остаётся в том же магнитном поле, вращаясь вокруг своей центральной оси над магнитами. Он не испытывает изменения магнитного потока, и это, следовательно, исключает затухание вихревыми токами».
Команда подтвердила свой подход, объединив компьютерное моделирование, математические доказательства и физические эксперименты. Они обнаружили, что теперь производительность зависит главным образом от достижения идеальной осевой симметрии и снижения трения о воздух за счёт работы в условиях, близких к вакууму.
Потенциал для датчиков и космических приложений
Это достижение — не просто физическая диковинка: оно может привести к созданию новых мощных датчиков и гироскопов. «Благодаря практическим усовершенствованиям в процессе производства наш левитирующий ротор идеально подходит для сверхточных датчиков, работающих в миллиметровом, а не нанометровом масштабе», — пояснил Твэмли.
«Его можно раскручивать, чтобы он служил точным и надежным гироскопом, или замедлять вращение — охлаждать — до квантового режима».
Предыдущая версия левитирующей конструкции OIST уже была отправлена в космос в качестве экспериментальной версии для экспериментов по изучению тёмной материи и гравитационных волн. Новая система, свободная от затухания и обладающая более высокой стабильностью, может повысить точность подобных космических квантовых экспериментов.
Исследователи полагают, что такой подход позволит датчикам следующего поколения обнаруживать мельчайшие физические изменения на Земле и на орбите.
Помимо обнаружения, устройство может помочь в изучении таких явлений, как вакуумная гравитация.
Он также может исследовать вращательную суперпозицию, перенося квантовую физику из микроскопического в макроскопический мир.
Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics.
Sourse: interestingengineering.com
