Forskere trodser det 19. århundredes lov om fysik i det 21. århundredes løft for energieffektivitet

Forskning ledet af en videnskabsmand fra University of Sussex har vendt en 156 år gammel fysiklov på hovedet i en udvikling, der kan føre til mere effektiv genopladning af batterier i biler og mobiltelefoner.

Dr. Jordi Prat-Camps, en forsker ved University of Sussex, har for første gang vist, at koblingen mellem to magnetiske elementer kan gøres ekstremt asymmetrisk. Samarbejde med kolleger fra det østrigske videnskabsakademi og universitetet i Innsbruck, Dr. Prat-Camps' forskning river op i fysikkens regelbog ved at vise, at det er muligt at få en magnet til at forbinde til en anden, uden at forbindelsen sker i den modsatte retning.

Resultaterne er i modstrid med længe etablerede overbevisninger om magnetisk kobling, som udspringer af de fire Maxwell-ligninger, der går tilbage til Michael Faradays og James Clerk Maxwells skelsættende værker i det 19. århundrede.

Dr. Prat-Camps sagde:"Vi har skabt den første enhed, der opfører sig som en diode for magnetiske felter. Elektriske dioder er så afgørende, at ingen af ​​de eksisterende elektroniske teknologier såsom mikrochips, computere eller mobiltelefoner ville være muligt uden dem. Hvis vores resultat for magnetiske felter ville have en milliontedel af samme effekt som udviklingen inden for elektriske dioder, det ville være en stor succes. Skabelsen af ​​en sådan diode åbner en masse nye muligheder for andre videnskabsmænd og teknikere at udforske. Takket være vores opdagelse tror vi, at det kan være muligt at forbedre og ydeevnen af ​​trådløse strømoverførselsteknologier for at forbedre effektiviteten af ​​genopladning af telefoner, bærbare computere og endda biler."

Dr. Prat-Camps' gennembrud bygger på forskning, han og kolleger har udført over en årrække med fokus på kontrol og manipulation af magnetiske felter ved brug af metamaterialer. For nylig har Dr. Prat-Camps og hans samarbejdspartnere udviklet nye værktøjer til at kontrollere magnetisme, herunder magnetiske uopdagelige kapper, magnetiske koncentratorer og ormehuller.

Da andre forskere, der arbejder med andre former for metamaterialer, udforskede muligheden for at bryde gensidighed for lys- og lydbølger, Dr. Prat-Camps undersøgte, om den samme udfordring kunne anvendes på magnetiske felter.

Efter flere mislykkede forsøg på at bryde magnetisk gensidighed, holdet besluttede at prøve at bruge en elektrisk leder i bevægelse. Ved at løse Maxwells ligninger analytisk, forskerne viste meget hurtigt, at ikke kun gensidighed kunne nedbrydes, men at koblingen kunne gøres maksimalt asymmetrisk, hvorved koblingen fra A til B ville være forskellig fra nul, men fra B til A ville den være nøjagtig nul. Efter at have vist, at total ensrettet kobling teoretisk var mulig, holdet designede og byggede et proof-of-concept-eksperiment, som bekræftede deres resultater.

Dr. Prat-Camps sagde:"Den magnetiske kobling mellem magneter eller kredsløb er noget ekstremt velkendt. Den går tilbage til Faradays og Maxwells skelsættende værker, og den er dybt indlejret i de fire Maxwell-ligninger, der beskriver alle elektromagnetiske fænomener. A langt størstedelen af ​​de teknologier, vi er afhængige af i dag, er baseret på magnetisk kobling inklusive motorer, transformere, lavfrekvente antenner og trådløse strømoverførselsenheder. Så vidt vi ved, ingen før os tænkte på at spørge, om denne symmetri kunne brydes og i hvilket omfang."

Forskerne håber, at resultaterne kan have vidtrækkende konsekvenser. Teknologi, der er afhængig af magnetisk-baseret trådløs strømoverførsel, omfatter langt de fleste almindelige elektroniske enheder som mobiltelefoner og bærbare computere.

Innsbruck-fysikere Oriol Romero-Isart og Gerhard Kirchmair sagde:"Hvis koblingen mellem spoler er symmetrisk, en del af energien kan også flyde i den modsatte retning, hvilket i høj grad kan reducere effektiviteten af ​​overførslen. Ved at bruge en magnetisk diode til at forhindre denne tilbagestrømning, effektiviteten af ​​overførslen kunne forbedres betydeligt."