Med en smart design har forskare löst problemet med virvelströmsdämpning i makroskopiska levitationssystem, vilket banar väg för en rad olika sensorteknologier.
Levitation har länge varit ett mål för både scenmagiker och fysiker. För publiken är synen av föremål som svävar i luften något fantastiskt. För forskare är det ett kraftfullt sätt att isolera föremål från yttre störningar.
Detta är särskilt användbart när det gäller rotorer, eftersom deras vridmoment och vinkelmoment, som används för att mäta gravitation, gastryck, rörelsemängd och andra fenomen inom både klassisk och kvantfysik, kan påverkas starkt av friktion. Att fritt suspendera rotorn kan drastiskt minska dessa störningar, och nu har forskare från Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) designat, skapat och analyserat en sådan makroskopisk anordning, som genom precisionsteknik för ner magin med nästan friktionsfri levitation till jorden.
Mikroskaliga anordningar som använder optisk eller elektrisk levitation kräver extremt sofistikerade installationer och är mycket känsliga för miljöfaktorer. Däremot är makroskaliga system som använder magnetisk levitation vid rumstemperatur både enklare och mycket mer motståndskraftiga mot miljön, och eftersom de är föremål för gravitation till skillnad från de atompartiklar som är upphängda i mikroskaliga anordningar, är de intressanta både för praktisk gravimetri och grundläggande forskning om gränsen mellan kvantfysik och klassisk fysik. Dessa installationer har dock länge hindrats av så kallad virvelströmsdämpning.
I en studie som nu publicerats i Communication Physics har medlemmar av Quantum Machines Unit vid OIST kommit fram till en elegant lösning.
Daehee Kim, doktorand vid enheten och försteförfattare till artikeln, förklarar: ”Med en grafittskiva på en centimeter och några få sällsynta jordartsmetaller har vi experimentellt visat och analytiskt bevisat hur man skapar en diamagnetiskt leviterande rotor som inte upplever någon virvelströmsdämpning alls tack vare axiell symmetri. Om vi kan bromsa dess rotation tillräckligt kommer dess rörelse att gå in i kvantregimen, vilket skulle kunna öppna upp en helt ny plattform för kvantforskning.”
Vända på steken för virvelströmmar
När ett ledande material ändrar position i ett ojämnt magnetfält, till exempel genom att närma sig eller fjärma sig från magneterna, bildas cirkulerande strömmar – eller virvlar – av elektroner inuti materialet, vilket skapar motsatta magnetfält som motverkar rörelsen ungefär som friktionsmotstånd. När det är önskvärt har virvelströmsdämpning många praktiska tillämpningar, till exempel i effektiva bromsar i elverktyg och Shinkansen-höghastighetståg. Men om man vill mäta fysiska fenomen genom rotorns rörelse är denna friktion problematisk.
Förra året tog forskarna itu med denna utmaning genom att tillverka en fyrkantig platta av grafitpulver belagd med kiseldioxid och inbäddad i vax, vilket begränsade virvelströmmarna till de enskilda pulverkornen istället för hela plattan, vilket dramatiskt minskade virvelströmsdämpningen. Utvecklingen av denna svävande platta banade väg för precisa accelerometrar, som är extremt känsliga för fysiska fenomen som gravitation.
En anordning som direkt baseras på en tidigare version av enhetens design skickades nyligen upp i rymden som ett proof-of-concept för framtida rymdbaserade levitationsexperiment, till exempel för att studera interaktioner mellan mörk materia och gravimetriska vågor, bland andra grundläggande fysikaliska frågor.
Det vax som användes för att binda det kiseldioxidbelagda grafitpulvret minskade dock systemets levitationskraft avsevärt, vilket gjorde det mindre lämpligt för integration i andra system, eftersom extra vikt – till exempel från en spegel som används för att spåra dess rotation – kan störa det.
Den nya rotorskivdesignen är tillverkad helt av grafit, behåller sin starka levitationskraft och eliminerar virvelströmsdämpningen helt i ett idealiskt system.
”Plattdesignen upplever en lätt virvelströmsdämpning när den rör sig upp och ner, eftersom magnetstyrkan – eller flödet – förändras och bildar virvelströmmar inuti de kiseldioxidbelagda grafitkornen”, förklarar professor Jason Twamley, enhetschef och seniorförfattare till studien. ” Men en rotor förblir i samma magnetfält när den roterar runt sin centrala axel ovanför magneterna. Den upplever ingen förändring i flödet – och detta eliminerar därför virvelströmsdämpningen.”
Modellerad genom simuleringar, matematiskt bevisad och experimentellt demonstrerad, är systemets precision nu enbart beroende av bearbetningen av grafitplattan och magneterna för att uppnå idealisk axiell symmetri, samt minskningen av luftfriktionen genom att komma så nära ett perfekt vakuum som möjligt.
”Med praktiska förbättringar av tillverkningsprocessen är vår svävande rotor perfekt för extremt precisa sensorer som arbetar i millimeter- istället för nanometer-skala”, sammanfattar professor Twamley. ”Den kan snurras upp för att fungera som precisa och tillförlitliga gyroskop eller snurras ner – kylas – till kvantregimen.
”Vi är särskilt intresserade av det senare, eftersom det är en mycket lovande plattform för studier av kvantfenomen som vakuumgravitation och rotationssuperposition på makroskopisk nivå.”
Mer information: En magnetiskt svävande ledande rotor med ultralåg rotationsdämpning som kringgår virvelförluster, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02318-4
