I ricercatori della Quantum Machines Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) stanno studiando materiali levitanti, sostanze che possono rimanere sospese in una posizione stabile senza alcun contatto fisico o supporto meccanico.
Il tipo più comune di levitazione avviene attraverso i campi magnetici. Oggetti come superconduttori o materiali diamagnetici (materiali respinti da un campo magnetico) possono essere fatti galleggiare sopra i magneti per sviluppare sensori avanzati per vari usi scientifici e quotidiani.
Il professor Jason Twamley, capo dell'unità, e il suo team di ricercatori dell'OIST e collaboratori internazionali hanno progettato una piattaforma galleggiante nel vuoto utilizzando grafite e magneti. Sorprendentemente, questa piattaforma levitante funziona senza fare affidamento su fonti di energia esterne e può aiutare nello sviluppo di sensori ultrasensibili per misurazioni altamente precise ed efficienti. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Applied Physics Letters .
Quando un campo magnetico esterno viene applicato a materiali "diamagnetici", questi materiali generano un campo magnetico nella direzione opposta, risultando in una forza repulsiva:si allontanano dal campo. Pertanto, gli oggetti realizzati con materiali diamagnetici possono galleggiare sopra forti campi magnetici. Ad esempio, nei treni a levitazione magnetica, potenti magneti superconduttori creano un forte campo magnetico con materiali diamagnetici per ottenere la levitazione, apparentemente sfidando la gravità.
La grafite, la forma cristallina del carbonio presente nelle matite, è fortemente respinta dai magneti (altamente diamagnetici). Rivestendo chimicamente una polvere di microscopiche perle di grafite con silice e mescolando la polvere rivestita con cera, i ricercatori hanno formato una sottile piastra quadrata di un centimetro che si libra sopra i magneti disposti secondo uno schema a griglia.
La creazione di una piattaforma galleggiante che non richiede alimentazione esterna presenta diverse sfide. Il fattore limitante più grande è lo 'smorzamento parassita', che si verifica quando un sistema oscillante perde energia nel tempo a causa di forze esterne. Quando un conduttore elettrico, come la grafite, passa attraverso un potente campo magnetico, subisce una perdita di energia dovuta al flusso di correnti elettriche. Questa perdita di energia ha scoraggiato l'uso della levitazione magnetica per sviluppare sensori avanzati.
Gli scienziati dell'OIST hanno deciso di progettare una piattaforma in grado di galleggiare e oscillare senza perdere energia, il che significa che, una volta messa in movimento, continuerà a oscillare per un periodo prolungato, anche senza ulteriore apporto di energia. Questo tipo di piattaforma "senza attrito" potrebbe avere molte applicazioni, inclusi nuovi tipi di sensori per misurare forza, accelerazione e gravità.
Tuttavia, anche se gli scienziati riuscissero a ridurre lo smorzamento parassita, c’è un’altra sfida:ridurre al minimo l’energia cinetica della piattaforma oscillante. Abbassare questo livello di energia è importante per due ragioni. Innanzitutto, rende la piattaforma più sensibile per l'uso come sensore.
In secondo luogo, raffreddarne il movimento verso il regime quantistico (dove dominano gli effetti quantistici) potrebbe aprire nuove possibilità per misurazioni di precisione. Pertanto, per ottenere una piattaforma galleggiante veramente priva di attrito e autosufficiente, è necessario risolvere sia i problemi di smorzamento parassita che quelli legati all'energia cinetica.
Per affrontare questi problemi, i ricercatori si sono concentrati sulla creazione di un nuovo materiale derivato dalla grafite. Modificandola chimicamente, hanno trasformato la grafite in un isolante elettrico. Questo cambiamento arresta le perdite di energia consentendo al materiale di levitare nel vuoto.
Nella loro configurazione sperimentale, gli scienziati hanno monitorato continuamente il movimento della piattaforma. Utilizzando queste informazioni in tempo reale, hanno applicato una forza magnetica di feedback per smorzare il movimento della piattaforma, sostanzialmente raffreddandone il movimento e rallentandolo in modo significativo.
"Il calore provoca movimento, ma monitorando continuamente e fornendo feedback in tempo reale al sistema sotto forma di azioni correttive, possiamo ridurre questo movimento. Il feedback regola il tasso di smorzamento del sistema, ovvero la velocità con cui perde energia, quindi controllando lo smorzamento, riduciamo l'energia cinetica del sistema, raffreddandolo efficacemente," ha spiegato il prof. Twamley.
"Se sufficientemente raffreddata, la nostra piattaforma levitante potrebbe superare in prestazioni anche i gravimetri atomici più sensibili sviluppati fino ad oggi. Si tratta di strumenti all'avanguardia che utilizzano il comportamento degli atomi per misurare con precisione la gravità. Raggiungere questo livello di precisione richiede un'ingegneria rigorosa per isolare la piattaforma da disturbi esterni come vibrazioni, campi magnetici e rumore elettrico. Il nostro lavoro in corso si concentra sul perfezionamento di questi sistemi per sbloccare il pieno potenziale di questa tecnologia."
L'unità del Prof. Twamley si concentra sull'uso di materiali levitanti per costruire oscillatori meccanici, sistemi che hanno un movimento ripetitivo o periodico attorno a un punto centrale. Queste oscillazioni si verificano in vari contesti, come pendoli, masse collegate a molle e sistemi acustici.
Questa ricerca apre interessanti possibilità per i sensori ultrasensibili e per ottenere un controllo preciso sulle piattaforme oscillanti. Combinando levitazione, isolamento e feedback in tempo reale, il team del prof. Twamley sta ampliando i confini di ciò che è realizzabile nella scienza dei materiali e nella tecnologia dei sensori.
Ulteriori informazioni: S. Tian et al, Raffreddamento tramite feedback di una piastra isolante a levitazione diamagnetica ad alto Q, Lettere di fisica applicata (2024). DOI:10.1063/5.0189219
Informazioni sul giornale: Lettere di fisica applicata
Fornito dall'Okinawa Institute of Science and Technology
