Пробив в левитацията: графитен диск и магнити създават система с нулева загуба на енергия

Какво се случва, ако вихровите течения просто нямат възможност да възникнат?

Екип от изследователи от Института за наука и технологии в Окинсава (OIST) съобщи за важен пробив в технологията на левитацията: те са успели да елиминират потискането на вихровите токове в макроскопичните левитиращи системи. Този подход може радикално да подобри точността на сензорите и да открие нови възможности за експерименти в областта на квантовата физика.

Левитацията представлява интерес както за илюзионистите, така и за учените, но в лабораториите тя решава практически проблеми: позволява изолиране на даден обект от триенето и другите смущения, което е полезно за изследване на гравитацията, налягането на газовете и ъгловия момент. Екипът на OIST разработи минималистично, но много прецизно устройство: той използва сантиметров графитен диск и няколко неодимови магнита, за да създаде въртящ се ротор, който се върти свободно, без да губи енергия от вихровите токове поради осовата симетрия на системата.

„Експериментално показахме и аналитично доказахме как да се създаде диамагнитен левитиращ ротор, който изобщо не изпитва забавяне от вихровите токове“, обяснява докторантът и първи автор на статията Даехи Ким. – Ако успеем да забавим достатъчно въртенето му, движението ще навлезе в квантов режим – това може да осигури принципно нова платформа за квантови изследвания“.

Вихровите токове възникват в проводник, движещ се в магнитно поле, и действат като един вид „електрическо триене“. В спирачките на влаковете и електрическите инструменти това е полезно, но за прецизната левитация е пречка. При предишни експерименти групата намали спирачното въздействие, като използва графитна плоча, смесена с прах, покрит със силициев диоксид, и запълнена с восък: загубите бяха намалени, но „подемната сила“ на левитацията спадна. Новият ротор, изработен само от графит, запазва пълна стабилност в полето на магнитите, като същевременно избягва ненужното съпротивление.

Ключът към успеха се крие в ротационната симетрия. За разлика от плочата, която при осцилиране нагоре-надолу се сблъсква с промени в магнитния поток и следователно поражда вихрови токове, роторът остава в практически постоянен поток, когато се върти около собствената си ос.

„Плочата все още улавя малко спирачен вихров ток поради промяната в магнитния поток по време на вертикалните премествания“, добавя професор Джейсън Туамли, ръководител на отдела за квантови машини в OIST. „А роторът над магнитите при въртене не забелязва промяна в потока – така че няма спиране“.

Хипотезата е проверена едновременно по три начина – чрез компютърно моделиране, математически изчисления и реални експерименти. Сега границите на системата се определят главно от качеството на осевата симетрия и съпротивлението на въздуха, така че най-добрите резултати се постигат в разредена атмосфера.

Перспективите са не само академични. Според Тъмли с усъвършенстване на производството такъв левитиращ ротор е подходящ за свръхпрецизни сензори, работещи в милиметрови, а не в нанометрови мащаби, може да бъде „завъртян“ до стабилни и трайни жироскопи или, обратно, „охладен“ до квантов режим.

Предишна версия на съоръжението вече летя в космоса като демонстратор за експерименти, търсещи тъмна материя и гравитационни вълни; подобрената система без забавяне и с по-голяма стабилност ще направи тези измервания по-точни. Изследователите очакват, че въз основа на този подход ще бъде възможно да се създадат нови сензори за улавяне на малки промени във физическите величини на Земята и в орбита, както и да се изследват явления като вакуумната гравитация и да се реализират ротационни суперпозиции, пренасяйки квантовата механика от микрокосмоса в макрокосмоса.

Резултатите са публикувани в списание Communications Physics.