Magnetisk levitation:Nyt materiale giver potentiale til at låse op for tyngdekraftsfri teknologi
Forskere ved Quantum Machines Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) studerer svævende materialer - stoffer, der kan forblive suspenderet i en stabil position uden fysisk kontakt eller mekanisk støtte.
Den mest almindelige type levitation sker gennem magnetiske felter. Objekter såsom superledere eller diamagnetiske materialer (materialer, der frastødes af et magnetfelt) kan fås til at svæve over magneter for at udvikle avancerede sensorer til forskellige videnskabelige og dagligdags brug.
Prof. Jason Twamley, leder af enheden, og hans team af OIST-forskere og internationale samarbejdspartnere har designet en flydende platform i et vakuum ved hjælp af grafit og magneter. Bemærkelsesværdigt nok fungerer denne svævende platform uden at være afhængig af eksterne strømkilder og kan hjælpe med udviklingen af ultrafølsomme sensorer til meget præcise og effektive målinger. Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Applied Physics Letters .
Når et eksternt magnetfelt påføres 'diamagnetiske' materialer, genererer disse materialer et magnetfelt i den modsatte retning, hvilket resulterer i en frastødende kraft - de skubber væk fra feltet. Derfor kan genstande lavet af diamagnetiske materialer svæve over stærke magnetiske felter. For eksempel i maglev-tog skaber kraftige superledende magneter et stærkt magnetfelt med diamagnetiske materialer for at opnå levitation, der tilsyneladende trodser tyngdekraften.
Grafit, den krystallinske form for kulstof, der findes i blyanter, frastødes kraftigt af magneter (meget diamagnetisk). Ved kemisk at belægge et pulver af mikroskopiske grafitperler med silica og blande det belagte pulver i voks, dannede forskerne en centimeterstor tynd firkantet plade, der svæver over magneter arrangeret i et gittermønster.
At skabe en flydende platform, der ikke kræver ekstern strøm, har flere udfordringer. Den største begrænsende faktor er 'eddy-dæmpning', som opstår, når et oscillerende system taber energi over tid på grund af eksterne kræfter. Når en elektrisk leder, som grafit, passerer gennem et kraftigt magnetfelt, oplever den energitab på grund af strømmen af elektriske strømme. Dette energitab har afskrækket brugen af magnetisk levitation til at udvikle avancerede sensorer.
OIST-forskere satte sig for at konstruere en platform, der kan flyde og oscillere uden at miste energi - hvilket betyder, at når den først er sat i gang, vil den fortsætte med at oscillere i en længere periode, selv uden yderligere energitilførsel. Denne type 'friktionsfri' platform kan have mange anvendelsesmuligheder, herunder nye typer sensorer til måling af kraft, acceleration og tyngdekraft.
Men selvom det lykkes forskerne at reducere hvirveldæmpning, er der en anden udfordring:at minimere den kinetiske energi af den oscillerende platform. At sænke dette energiniveau er vigtigt af to grunde. For det første gør det platformen mere følsom til brug som sensor.
For det andet kunne afkøling af dens bevægelse mod kvanteregimet (hvor kvanteeffekter dominerer) åbne nye muligheder for præcisionsmålinger. For at opnå en virkelig friktionsfri, selvbærende flydende platform skal både hvirveldæmpning og kinetiske energiudfordringer løses.
For at løse disse fokuserede forskerne på at skabe et nyt materiale afledt af grafit. Ved kemisk at ændre det omdannede de grafit til en elektrisk isolator. Denne ændring stopper energitab, samtidig med at materialet tillader at svæve i et vakuum.
I deres eksperimentelle opsætning overvågede forskerne løbende platformens bevægelse. Ved at bruge denne information i realtid påførte de en magnetisk tilbagekoblingskraft for at dæmpe platformens bevægelse – i det væsentlige kølede dens bevægelse ned og bremsede den betydeligt.
"Varme forårsager bevægelse, men ved løbende at overvåge og give real-time feedback i form af korrigerende handlinger til systemet, kan vi mindske denne bevægelse. Feedbacken justerer systemets dæmpningshastighed, som er hvor hurtigt det taber energi, så ved aktivt at ved at kontrollere dæmpningen reducerer vi systemets kinetiske energi, og køler det effektivt ned," forklarede prof. Twamley.
"Hvis den afkøles tilstrækkeligt, kan vores svævende platform udkonkurrere selv de mest følsomme atomgravimetre, der er udviklet til dato. Disse er banebrydende instrumenter, der bruger atomernes adfærd til præcist at måle tyngdekraften. At opnå dette præcisionsniveau kræver streng konstruktion for at isolere platformen fra eksterne forstyrrelser såsom vibrationer, magnetiske felter og elektrisk støj Vores igangværende arbejde fokuserer på at forfine disse systemer for at frigøre det fulde potentiale af denne teknologi."
Prof. Twamleys enhed fokuserer på at bruge leviterende materialer til at bygge mekaniske oscillatorer - systemer, der har gentagne eller periodiske bevægelser omkring et centralt punkt. Disse svingninger forekommer i forskellige sammenhænge, såsom penduler, masser forbundet med fjedre og akustiske systemer.
Denne forskning åbner spændende muligheder for ultrafølsomme sensorer og opnåelse af præcis kontrol over oscillerende platforme. Ved at kombinere levitation, isolering og feedback i realtid skubber prof. Twamleys team grænserne for, hvad der er opnåeligt inden for materialevidenskab og sensorteknologi.
Flere oplysninger: S. Tian et al., Feedbackkøling af en isolerende høj-Q diamagnetisk leviteret plade, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0189219
Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve
Leveret af Okinawa Institute of Science and Technology
Varme artikler
-
Udfører under tryk:Modellering af oxidation i materialer med høj belastningSkematisk af en oxidfilm/substratsystem og oxidationsprocessen. I den første fase, fluxen påvirker diffusion og adsorption af ilt fra gas til gas/oxid -grænsefladen. Kredit:Mengkun Yue Hvert år, v -
Udvikling af et digitalt holografi-baseret multimodalt billeddannelsessystem til at visualisere leve…Figur 1:Det digitale holografiske mikroskops optiske system. Kredit:Kobe University En forskergruppe ledet af Kobe Universitets professor MATOBA Osamu (Organisation for Advanced and Integrated Res -
Brug af plasmateknologi til at fodre verdenLandmænd i Buikwe, Uganda. Kredit:Pecold | Shutterstock Brug af state-of-the-art plasmateknologi til at lave billig gødning til små landmænd kan lyde som magi, men det er nu blevet virkelighed. Fo -
Flyvende fokus:Styring af lasere gennem tid og rumEn chirp-puls laser (laser med farver organiseret i tid), der rammer en diffraktiv linse (en linse, der fordeler farver langs sin akse) genererer et flyvende fokus, som er fanget af en ultrahurtig fil
- Renaults bestyrelse mødes for at vende side om Ghosn-æraen
- Billede:SOHOs sommersolhvervssol
- Ny vej til storstilet syntese af Janus-partikler
- Astrofysikere frigiver IllustrisTNG, den mest avancerede universmodel af slagsen
- Ingeniører finder en måde at kontrollere kemiske katalysatorer med skulpturelt lys
- Hurtig, let, og meget følsom arsendetektion med guldnanopartikler