Wetenschap
Magnetische levitatie:nieuw materiaal biedt potentieel voor het ontsluiten van zwaartekrachtvrije technologie
Onderzoekers van de Quantum Machines Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) bestuderen zwevende materialen:stoffen die in een stabiele positie kunnen blijven hangen zonder enig fysiek contact of mechanische ondersteuning.
Het meest voorkomende type levitatie vindt plaats door middel van magnetische velden. Objecten zoals supergeleiders of diamagnetische materialen (materialen die worden afgestoten door een magnetisch veld) kunnen boven magneten zweven om geavanceerde sensoren te ontwikkelen voor verschillende wetenschappelijke en alledaagse toepassingen.
Prof. Jason Twamley, hoofd van de eenheid, en zijn team van OIST-onderzoekers en internationale medewerkers hebben een drijvend platform in een vacuüm ontworpen met behulp van grafiet en magneten. Opmerkelijk is dat dit zwevende platform werkt zonder afhankelijk te zijn van externe stroombronnen en kan helpen bij de ontwikkeling van ultragevoelige sensoren voor zeer nauwkeurige en efficiënte metingen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters .
Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd op 'diamagnetische' materialen, genereren deze materialen een magnetisch veld in de tegenovergestelde richting, wat resulteert in een afstotende kracht:ze duwen zich weg van het veld. Daarom kunnen voorwerpen gemaakt van diamagnetische materialen boven sterke magnetische velden zweven. In magneettreinen creëren krachtige supergeleidende magneten bijvoorbeeld een sterk magnetisch veld met diamagnetische materialen om levitatie te bewerkstelligen, waardoor de zwaartekracht schijnbaar wordt getrotseerd.
Grafiet, de kristallijne vorm van koolstof die in potloden wordt aangetroffen, wordt sterk afgestoten door magneten (zeer diamagnetisch). Door een poeder van microscopisch kleine grafietbolletjes chemisch te coaten met silica en het gecoate poeder in was te mengen, vormden de onderzoekers een dunne vierkante plaat ter grootte van een centimeter die boven magneten zweefde die in een rasterpatroon waren gerangschikt.
Het creëren van een drijvend platform dat geen externe stroom nodig heeft, brengt verschillende uitdagingen met zich mee. De grootste beperkende factor is 'eddy demping', die optreedt wanneer een oscillerend systeem na verloop van tijd energie verliest als gevolg van externe krachten. Wanneer een elektrische geleider, zoals grafiet, door een krachtig magnetisch veld gaat, ervaart hij energieverlies als gevolg van de stroom van elektrische stromen. Dit energieverlies heeft het gebruik van magnetische levitatie om geavanceerde sensoren te ontwikkelen ontmoedigd.
OIST-wetenschappers wilden een platform ontwikkelen dat kan zweven en oscilleren zonder energie te verliezen – wat betekent dat het, zodra het in beweging is gebracht, gedurende een langere periode zal blijven oscilleren, zelfs zonder extra energie-input. Dit type 'wrijvingsloos' platform zou vele toepassingen kunnen hebben, waaronder nieuwe soorten sensoren voor het meten van kracht, versnelling en zwaartekracht.
Maar zelfs als wetenschappers erin slagen de werveldemping te verminderen, is er nog een andere uitdaging:het minimaliseren van de kinetische energie van het oscillerende platform. Het verlagen van dit energieniveau is om twee redenen belangrijk. Ten eerste maakt het het platform gevoeliger voor gebruik als sensor.
Ten tweede zou het afkoelen van de beweging richting het kwantumregime (waar kwantumeffecten domineren) nieuwe mogelijkheden voor precisiemetingen kunnen openen. Om een echt wrijvingsloos, zelfvoorzienend drijvend platform te realiseren, moeten zowel werveldemping als kinetische energie-uitdagingen worden opgelost.
Om deze aan te pakken, concentreerden de onderzoekers zich op het creëren van een nieuw materiaal afgeleid van grafiet. Door het chemisch te veranderen, transformeerden ze grafiet in een elektrische isolator. Deze verandering stopt energieverliezen terwijl het materiaal in een vacuüm kan zweven.
In hun experimentele opstelling volgden de wetenschappers voortdurend de beweging van het platform. Met behulp van deze realtime informatie pasten ze een magnetische feedbackkracht toe om de beweging van het platform te dempen, waardoor de beweging feitelijk werd afgekoeld en aanzienlijk werd vertraagd.
“Warmte veroorzaakt beweging, maar door voortdurend te monitoren en real-time feedback te geven in de vorm van corrigerende maatregelen aan het systeem, kunnen we deze beweging verminderen. De feedback past de dempingssnelheid van het systeem aan, dat wil zeggen hoe snel het energie verliest, dus door actief Door de demping te beheersen, verminderen we de kinetische energie van het systeem, waardoor het effectief wordt afgekoeld", legt prof. Twamley uit.
"Als het voldoende wordt gekoeld, zou ons zwevende platform zelfs beter kunnen presteren dan de meest gevoelige atomaire gravimeters die tot nu toe zijn ontwikkeld. Dit zijn geavanceerde instrumenten die het gedrag van atomen gebruiken om de zwaartekracht nauwkeurig te meten. Het bereiken van dit precisieniveau vereist rigoureuze engineering om het platform te isoleren van externe verstoringen zoals trillingen, magnetische velden en elektrische ruis. Ons voortdurende werk richt zich op het verfijnen van deze systemen om het volledige potentieel van deze technologie te ontsluiten."
De eenheid van prof. Twamley richt zich op het gebruik van zwevende materialen om mechanische oscillatoren te bouwen – systemen die repetitieve of periodieke bewegingen rond een centraal punt maken. Deze trillingen komen voor in verschillende contexten, zoals slingers, massa's verbonden met veren en akoestische systemen.
Dit onderzoek opent opwindende mogelijkheden voor ultragevoelige sensoren en het bereiken van nauwkeurige controle over oscillerende platforms. Door levitatie, isolatie en realtime feedback te combineren, verlegt het team van prof. Twamley de grenzen van wat haalbaar is in de materiaalwetenschap en sensortechnologie.