Ускоренный ротор может служить точным гироскопом, а замедленный — перейти в квантовый режим для исследований квантовой физики.
Ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) создали левитирующий ротор, который вращается практически без потери энергии. Новая система устранила главный барьер, мешавший достичь идеальной левитации, — так называемое вихретоковое демпфирование. Это открывает путь к созданию сверхточных сенсоров, гироскопов и даже к экспериментам в квантовой физике. Результаты опубликованы в Communications Physics.
Как левитирует графитовый диск
Левитация — не трюк фокусников, а давно освоенный физиками прием, позволяющий изолировать объекты от трения и вибраций. Обычно для этого используют магниты и материалы, способные отталкиваться от них. Однако при движении проводящих тел в магнитном поле возникают вихревые токи — микроскопические электрические круги, создающие сопротивление и тормозящие движение.
Команда OIST нашла способ избавиться от этой проблемы. Они использовали легкий графитовый диск диаметром один сантиметр, который парит над тремя постоянными магнитами. Благодаря идеально симметричной форме ротор не пересекает участков с разной магнитной силой и потому не создает тормозящих вихревых токов.
«Мы экспериментально показали, что графитовый ротор может левитировать без каких-либо признаков вихретокового затухания. Если удастся замедлить вращение до квантового уровня, такая система сможет стать новой платформой для квантовых экспериментов», — объяснил аспирант Дэхи Ким, первый автор работы
Почему прежние системы не работали
Ранее физики пытались снизить сопротивление, добавляя в графит силика-порошок и воск. Это ограничивало вихревые токи, но ослабляло саму левитацию. Новый вариант полностью графитовый, поэтому сохраняет силу отталкивания и устойчивость в воздухе.
«Когда пластина движется вверх и вниз, магнитный поток меняется, и внутри материала рождаются вихревые токи. Но вращающийся ротор остается в постоянном поле — потока не меняется, и трение исчезает», — пояснил руководитель проекта профессор Джейсон Туэмли
Для проверки гипотезы ученые использовали компьютерное моделирование, математические расчеты и лабораторные эксперименты. Выяснилось, что эффективность левитации теперь ограничивается только трением воздуха — его можно минимизировать, если проводить опыты в вакууме.
От лаборатории к квантовым сенсорам
По словам Туэмли, технология имеет потенциал далеко за пределами академических исследований.
«Наш левитирующий ротор идеально подходит для сверхточных датчиков и гироскопов. Если увеличить скорость вращения, он станет стабильным навигационным прибором. Если же замедлить — можно войти в квантовый режим, где движение подчиняется законам квантовой механики».
Ранее прототип левитирующей системы OIST уже побывал в космосе в качестве теста для будущих экспериментов по поиску темной материи и гравитационных волн. Новая версия — более устойчивая и свободная от демпфирования — способна сделать такие исследования еще точнее.