Levitacija moksle: sukurtas „skraidantis“ diskas be išorinės energijos

Japonijos Okinavos mokslo ir technologijų instituto (OIST) mokslininkai žengė įspūdingą žingsnį mokslo pasaulyje – jie sukūrė makroskopinį diską, kuris beveik be trinties levituoja virš retųjų žemių magnetų be jokios išorinės energijos. Atrodytų lyg magija, tačiau tai – grynas mokslas. Pasak tyrėjų, šis levituojantis diskas, atsparus magnetinėms sukimosi jėgoms, galėtų tapti itin jautrių jutiklių, skirtų matuoti pačius menkiausius jėgų pasikeitimus, pagrindu. Tarp galimų taikymų – tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos sąveikos bei kvantinių reiškinių tyrimai.

Naujas fizikos pasaulis

Mikroskalės levitacijos įrenginiai yra itin jautrūs aplinkos veiksniams, todėl jų tikslumas dažnai kenčia. Priešingai, makroskalės magnetinės levitacijos sistemos, veikiančios kambario temperatūroje, yra kur kas atsparesnės ir paprastesnės naudoti, nes reaguoja į gravitaciją, o ne į atomų judėjimą.

Tokios sistemos idealiai tinka eksperimentams, matuojantiems gravitacijos efektus ar tiriantiems reiškinius kvantinės ir klasikinės fizikos ribose. Vis dėlto jas riboja sukimosi srovių – „eddy srovių“ – poveikis. 

Pavyzdžiui, judant laidžioms medžiagoms magnetų lauke, jose susidaro srovės, kurios gali trukdyti tikslumui. Nors šios srovės naudojamos greituosiuose traukiniuose ar stabdžiuose, jos kelia problemų, jei rotorius naudojamas fizinių reiškinių matavimui. Laisvai pakabinant rotorių, šie trikdžiai smarkiai sumažėja.

OIST komanda anksčiau bandė tai spręsti, sukurdama kvadratinę plokštę iš grafito miltelių, padengtų silicio dioksidu ir įterptų į vašką, kad sukimosi srovės būtų lokalizuotos tik milteliuose. 

Šis sprendimas atvėrė kelią itin tiksliems akselerometrams, gebantiems fiksuoti menkiausius gravitacijos pokyčius. Vienas tokio dizaino įrenginių net buvo paleistas į kosmosą kaip konceptualus įrodymas.

Vis dėlto vaško disko sprendimas turėjo trūkumų. Jis sumažino levitacijos jėgą ir buvo mažiau tinkamas integruoti į sudėtingesnes sistemas. Taip yra dėl to, kad papildomas svoris, pavyzdžiui, veidrodis rotoriaus stebėjimui, gali sutrikdyti levitaciją.

Svarbus žingsnis levitacijos tyrimuose

Nors iliuzionistai kuria levitacijos iliuziją, mokslininkai jau naudoja ją itin mažoms jėgoms matuoti. 

Ankstesni eksperimentai su akustine ir elektrine levitacija dažnai reikalavo brangios įrangos ir sudėtingos sąrankos. Todėl mokslininkai negalėjo pilnai pasinaudoti šio reiškinio privalumais.

OIST komanda sukūrė visiškai naują levituojantį diską iš gryno grafito, atsisakydama vaško ir miltelių. Diskas išlaiko stiprią levitacijos jėgą ir teoriškai visiškai eliminuoja sukimosi srovių slopinimą idealiame sistemos variante. 

Matematiniai modeliai patvirtino šio dizaino efektyvumą, o vėliau komanda sukonstravo makroskalį levituojantį diską be jokio išorinio energijos šaltinio, naudojant tik tris retųjų žemių magnetus ir patį diską.

Nors dizainas jau sėkmingas, tolesni žingsniai apima grafito plokštės ir magnetų tikslų apdirbimą bei oro trinties mažinimą beveik tobulo vakuumo sąlygomis. 

Mokslininkai teigia, kad grafito diskas galėtų tapti pagrindu itin tiksliems jutikliams ir preciziškiems giroskopams. Sulėtinus jo sukimąsi, diskas patektų į kvantinę sritį, taip atveriant naujas galimybes vakuuminės gravitacijos ir rotacinės superpozicijos tyrimams.