Демонстрация негравитационного графита
Демонстрация негравитационного графита относится к новаторскому эксперименту, проведенному исследователями из отдела квантовых машин Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии. Этот эксперимент включал в себя левитацию небольшого кусочка графита почти совершенно неподвижно над сеткой магнитов без необходимости использования каких-либо внешних источников энергии. Ключом к прорыву в области магнитной левитации является новый материал, полученный из графита, который был химически изменен, чтобы превратить его в электрический изолятор. Этот инновационный подход позволил графиту левитировать в вакууме, преодолевая проблемы, связанные с потерями энергии из-за вихревого затухания и прохождения электрических токов через графит. Левитирующая платформа работает за счет использования диамагнитных свойств графита, который сильно отталкивается магнитами. Исследователи химически покрыли микроскопические графитовые шарики кремнеземом и смешали покрытый порошок с воском, чтобы сформировать тонкую квадратную пластину размером в сантиметр. Эта пластина парит над магнитами, расположенными в виде сетки. Экспериментальная установка включала непрерывный мониторинг движения платформы и применение магнитной силы обратной связи для демпфирования ее движения, эффективного охлаждения и значительного снижения ее кинетической энергии. Эта технология левитации имеет потенциал для разработки высокочувствительных датчиков как для научных, так и для потребительских приложений, способных обнаруживать изменения гравитации вплоть до атомного уровня. По словам руководителя группы и исследователя квантовых машин в OIST Джейсона Твамли, платформа может превзойти даже самые чувствительные атомные гравиметры, разработанные на сегодняшний день. Эти передовые инструменты используют поведение атомов для точного измерения гравитации, и в настоящее время команда работает над устранением внешних возмущений, таких как вибрации, магнитные поля и электрический шум, чтобы еще больше улучшить свою систему. Демонстрация негравитационного графита представляет собой значительный прогресс в области магнитной левитации и открывает новые возможности для точных измерений и разработки датчиков.
Исследователи из отдела квантовых машин Окинавского института науки и технологий (OIST) изучают левитирующие материалы – вещества, которые могут оставаться подвешенными в стабильном положении без какого-либо физического контакта или механической поддержки. Самый распространенный тип левитации происходит с помощью магнитных полей. Такие объекты, как сверхпроводники или диамагнитные материалы (материалы, отталкиваемые магнитным полем), можно заставить плавать над магнитами для разработки современных датчиков для различных научных и повседневных целей.
Профессор Джейсон Твамли, руководитель подразделения, и его команда исследователей OIST и международных сотрудников спроектировали плавучую платформу в вакууме с использованием графита и магнитов. Примечательно, что эта левитирующая платформа работает без использования внешних источников энергии и может помочь в разработке сверхчувствительных датчиков для высокоточных и эффективных измерений.
Когда к «диамагнитным» материалам прикладывается внешнее магнитное поле, эти материалы генерируют магнитное поле в противоположном направлении, что приводит к возникновению силы отталкивания – они отталкиваются от поля. Следовательно, предметы из диамагнитных материалов могут плавать в сильных магнитных полях. Например, в поездах на магнитной подвеске мощные сверхпроводящие магниты создают сильное магнитное поле с диамагнитными материалами для достижения левитации, по-видимому, игнорируя гравитацию.
Графит, кристаллическая форма углерода, содержащаяся в карандашах, сильно отталкивается магнитами (высокая диамагнитность). Химически покрыв порошок микроскопических графитовых шариков кремнеземом и смешав покрытый порошок с воском, исследователи сформировали тонкую квадратную пластину размером в сантиметр, которая парит над магнитами, расположенными в виде сетки.
Создание плавучей платформы, не требующей внешней энергии, сопряжено с рядом проблем. Самым большим ограничивающим фактором является «вихревое затухание», которое возникает, когда колеблющаяся система со временем теряет энергию из-за внешних сил. Когда электрический проводник, например графит, проходит через мощное магнитное поле, он испытывает потерю энергии из-за протекания электрических токов. Эта потеря энергии препятствует использованию магнитной левитации для разработки современных датчиков.
Ученые OIST задались целью создать платформу, которая сможет плавать и колебаться без потери энергии. Это означает, что однажды придя в движение, она будет продолжать колебаться в течение длительного периода времени, даже без дополнительного подвода энергии. Платформа такого типа «без трения» может иметь множество применений, включая новые типы датчиков для измерения силы, ускорения и гравитации.
Однако даже если ученым удастся уменьшить вихревое затухание, существует еще одна проблема: минимизация движущей (кинетической) энергии колеблющейся платформы. Снижение этого уровня энергии важно по двум причинам. Во-первых, это делает платформу более чувствительной для использования в качестве датчика. Во-вторых, охлаждение его движения в сторону квантового режима (где доминируют квантовые эффекты) может открыть новые возможности для прецизионных измерений. Таким образом, чтобы создать действительно самоподдерживающуюся плавучую платформу без трения, необходимо решить проблемы, связанные как с вихревым демпфированием, так и с энергией движения.
Чтобы решить эту проблему, исследователи сосредоточились на создании нового материала, полученного из графита. Химически изменив его, они превратили графит в электрический изолятор. Это изменение останавливает потери энергии, позволяя материалу левитировать в вакууме.
В своей экспериментальной установке ученые постоянно следили за движением платформы. Используя эту информацию в реальном времени, они применили магнитную силу обратной связи, чтобы ослабить движение платформы – по сути, охладив ее движение и значительно замедлив его.
«Тепло вызывает движение, но путем постоянного мониторинга и предоставления обратной связи в режиме реального времени в виде корректирующих действий для системы мы можем уменьшить это движение. Обратная связь регулирует скорость демпфирования системы, то есть скорость потери энергии, поэтому, активно контролируя демпфирование, мы уменьшаем кинетическую энергию системы, эффективно охлаждая ее», — объяснил профессор Твамли.
Гравитационный поезд
Команда создала плавучую платформу, состоящую из графитовых шариков с химическим порошковым покрытием и набора магнитов, расположенных в виде сетки внизу.
Их новая система улучшена по сравнению с предыдущими итерациями, поскольку ей не требуется какое-либо внешнее питание. Магнитная левитация обычно теряет энергию за счет кинетической энергии или «вихревого затухания».
Графит также является чрезвычайно мощным электрическим проводником и теряет энергию из-за прохождения через него электрического тока. Вот почему магнитная левитация еще не стала способом разработки усовершенствованных датчиков.
Однако, сводя к минимуму количество движений небольшого кусочка графита, команда надеется позволить разработать датчики, которые смогут обнаруживать изменения гравитации вплоть до атомного уровня.
«Тепло вызывает движение, но путем постоянного мониторинга и предоставления обратной связи в режиме реального времени в виде корректирующих действий для системы мы можем уменьшить это движение», — сказал в своем заявлении руководитель группы и исследователь квантовых машин в OIST Джейсон Твамли . «Обратная связь регулирует скорость демпфирования системы, то есть скорость потери энергии, поэтому, активно контролируя демпфирование, мы уменьшаем кинетическую энергию системы, эффективно охлаждая ее».
В результате, по словам Твамли, платформа сможет «превзойти даже самые чувствительные атомные гравиметры, разработанные на сегодняшний день». «Это передовые инструменты, которые используют поведение атомов для точного измерения гравитации».
Сейчас команда работает над устранением еще большего количества «внешних возмущений, таких как вибрации, магнитные поля и электрические шумы», чтобы еще больше улучшить свою систему.
Например, такая технология может быть использована для улучшения механических генераторов, которые используются для измерения периодического движения во всем: от часов до радиосхем.