Команда исследователей из Института науки и технологий Окинавы (OIST) достигла важного прорыва в технологиях левитации. Они устранили вихретоковое торможение в макроскопических левитирующих системах, что может значительно повысить точность датчиков и открыть новые горизонты для экспериментов в области квантовой физики.
Левитация привлекает внимание как иллюзионистов, так и учёных. В лабораториях она решает практические задачи, позволяя изолировать объекты от трения и других помех. Это полезно при изучении гравитации, давления газов и углового момента. Исследователи из OIST предложили простое, но эффективное решение: сантиметровый графитовый диск и несколько неодимовых магнитов. Они создали вращающийся ротор, который работает без потерь энергии на вихревые токи благодаря своей осевой симметрии.
«Мы экспериментально и теоретически доказали, как создать диамагнитный левитирующий ротор, который не испытывает вихретокового торможения», — объясняет аспирант и первый автор работы Дэхи Ким. «Если замедлить его вращение, он войдёт в квантовый режим, что откроет новые возможности для квантовых исследований».
Вихревые токи возникают в проводниках, движущихся в магнитном поле, и действуют как «электрическое трение». Хотя они полезны в тормозах поездов и электроинструментов, для прецизионной левитации они являются помехой. В предыдущих опытах группа снижала торможение с помощью графитовой пластины с диоксидом кремния и воском, но это уменьшало «подъёмную силу» левитации. Новый ротор из чистого графита сохраняет устойчивость в магнитном поле и лишён лишнего сопротивления.
Секрет успеха — в вращательной симметрии. В отличие от пластины, которая сталкивается с изменением магнитного потока при вертикальных колебаниях и порождает вихревые токи, ротор, вращаясь вокруг своей оси, остаётся в постоянном потоке. «Пластина всё равно испытывает небольшое вихретоковое торможение из-за изменения потока при вертикальных смещениях», — добавляет профессор Джейсон Туэмли из подразделения Quantum Machines в OIST. «А ротор над магнитами не видит изменения потока, поэтому торможения нет».
Гипотезу проверили тремя способами: компьютерным моделированием, математическими расчётами и реальными экспериментами. Теперь пределы системы зависят от качества осевой симметрии и сопротивления воздуха, поэтому лучшие результаты достигаются в разрежённой атмосфере.
Перспективы не только академические. По словам Туэмли, такой левитирующий ротор может использоваться для сверхточных датчиков, работающих на миллиметровых масштабах, стабильных и долговечных гироскопов или охлаждения до квантового режима. Предыдущая версия установки уже летала в космос как демонстратор для поиска тёмной материи и гравитационных волн. Усовершенствованная система без торможения и с большей стабильностью сделает эти измерения точнее. Исследователи надеются, что этот подход позволит создавать новые сенсоры для фиксации крошечных изменений физических величин на Земле и орбите, а также изучать гравитацию вакуума и реализовывать вращательные суперпозиции, связывая квантовую механику микро- и макромира.