Прорыв в левитации: графитовый диск и магниты создали систему с нулевыми потерями энергии
NewsMakerЧто происходит, если вихревым токам попросту не дать шанса возникнуть?
Команда исследователей из Окинсавского института науки и технологий (OIST) сообщила о важном прорыве в технологиях левитации: им удалось устранить вихретоковое торможение в макроскопических левитирующих системах. Такой подход может радикально улучшить точность датчиков и открыть новые возможности для экспериментов в области квантовой физики.
Левитация интересует и иллюзионистов, и учёных, но в лаборатории она решает практические задачи: позволяет изолировать объект от трения и других помех, что полезно при изучении гравитации, давления газов и углового момента. Команда OIST предложила минималистичное по устройству и при этом очень точное решение: использовала сантиметровый графитовый диск и несколько неодимовых магнитов, создав вращающийся ротор, который свободно крутится без потерь энергии на вихревые токи благодаря осевой симметрии системы. «Мы экспериментально показали и аналитически доказали, как сделать диамагнитный левитирующий ротор, который вовсе не испытывает вихретокового торможения, — поясняет аспирант и первый автор работы Дэхи Ким. — Если удастся достаточно замедлить его вращение, движение войдёт в квантовый режим — это может дать принципиально новую платформу для квантовых исследований».
Вихревые токи возникают в проводнике, движущемся в магнитном поле, и действуют как своеобразное «электрическое трение». В тормозах поездов и электроинструментах это полезно, но для прецизионной левитации — помеха. В прежних опытах группа снижала торможение с помощью графитовой пластины, смешанной с покрытым диоксидом кремния порошком и залитой воском: потери уменьшались, но падала «подъёмная сила» левитации. Новый ротор, выполненный только из графита, сохраняет полную устойчивость в поле магнитов и при этом избавлен от лишнего сопротивления.
Ключ к успеху — в вращательной симметрии. В отличие от пластины, которая при колебаниях вверх-вниз сталкивается с изменением магнитного потока и поэтому рождает вихревые токи, ротор при вращении вокруг собственной оси остаётся в практически постоянном потоке. «Пластина всё равно ловит небольшое вихретоковое торможение из-за изменения магнитного потока при вертикальных смещениях, — добавляет руководитель подразделения Quantum Machines в OIST профессор Джейсон Туэмли. — А ротор над магнитами при вращении не видит изменения потока — значит, и торможения нет».
Гипотезу проверили сразу тремя способами — компьютерным моделированием, математическими выкладками и реальными экспериментами. Теперь пределы системы определяются главным образом качеством осевой симметрии и сопротивлением воздуха, поэтому наилучшие результаты достигаются в разреженной атмосфере.
Перспективы — не только академические. По словам Туэмли, при доработке производства такой левитирующий ротор подходит для сверхточных датчиков, работающих на миллиметровых, а не нанометровых масштабах, может «раскручиваться» до стабильных и долговечных гироскопов или, наоборот, «охлаждаться» до квантового режима. Предыдущая версия установки уже летала в космос как демонстратор для экспериментов по поиску тёмной материи и гравитационных волн; усовершенствованная система без торможения и с большей стабильностью сделает подобные измерения точнее. Исследователи рассчитывают, что на базе этого подхода удастся создавать новые сенсоры для фиксации крошечных изменений физических величин на Земле и на орбите, а также изучать явления вроде гравитации вакуума и реализовывать вращательные суперпозиции, подводя квантовую механику от микромира к макромиру.
Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.
Команда исследователей из Окинсавского института науки и технологий (OIST) сообщила о важном прорыве в технологиях левитации: им удалось устранить вихретоковое торможение в макроскопических левитирующих системах. Такой подход может радикально улучшить точность датчиков и открыть новые возможности для экспериментов в области квантовой физики.
Левитация интересует и иллюзионистов, и учёных, но в лаборатории она решает практические задачи: позволяет изолировать объект от трения и других помех, что полезно при изучении гравитации, давления газов и углового момента. Команда OIST предложила минималистичное по устройству и при этом очень точное решение: использовала сантиметровый графитовый диск и несколько неодимовых магнитов, создав вращающийся ротор, который свободно крутится без потерь энергии на вихревые токи благодаря осевой симметрии системы. «Мы экспериментально показали и аналитически доказали, как сделать диамагнитный левитирующий ротор, который вовсе не испытывает вихретокового торможения, — поясняет аспирант и первый автор работы Дэхи Ким. — Если удастся достаточно замедлить его вращение, движение войдёт в квантовый режим — это может дать принципиально новую платформу для квантовых исследований».
Вихревые токи возникают в проводнике, движущемся в магнитном поле, и действуют как своеобразное «электрическое трение». В тормозах поездов и электроинструментах это полезно, но для прецизионной левитации — помеха. В прежних опытах группа снижала торможение с помощью графитовой пластины, смешанной с покрытым диоксидом кремния порошком и залитой воском: потери уменьшались, но падала «подъёмная сила» левитации. Новый ротор, выполненный только из графита, сохраняет полную устойчивость в поле магнитов и при этом избавлен от лишнего сопротивления.
Ключ к успеху — в вращательной симметрии. В отличие от пластины, которая при колебаниях вверх-вниз сталкивается с изменением магнитного потока и поэтому рождает вихревые токи, ротор при вращении вокруг собственной оси остаётся в практически постоянном потоке. «Пластина всё равно ловит небольшое вихретоковое торможение из-за изменения магнитного потока при вертикальных смещениях, — добавляет руководитель подразделения Quantum Machines в OIST профессор Джейсон Туэмли. — А ротор над магнитами при вращении не видит изменения потока — значит, и торможения нет».
Гипотезу проверили сразу тремя способами — компьютерным моделированием, математическими выкладками и реальными экспериментами. Теперь пределы системы определяются главным образом качеством осевой симметрии и сопротивлением воздуха, поэтому наилучшие результаты достигаются в разреженной атмосфере.
Перспективы — не только академические. По словам Туэмли, при доработке производства такой левитирующий ротор подходит для сверхточных датчиков, работающих на миллиметровых, а не нанометровых масштабах, может «раскручиваться» до стабильных и долговечных гироскопов или, наоборот, «охлаждаться» до квантового режима. Предыдущая версия установки уже летала в космос как демонстратор для экспериментов по поиску тёмной материи и гравитационных волн; усовершенствованная система без торможения и с большей стабильностью сделает подобные измерения точнее. Исследователи рассчитывают, что на базе этого подхода удастся создавать новые сенсоры для фиксации крошечных изменений физических величин на Земле и на орбите, а также изучать явления вроде гравитации вакуума и реализовывать вращательные суперпозиции, подводя квантовую механику от микромира к макромиру.
Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.