Grafitowy dysk unoszący się bez strat
Najważniejszym aspektem prowadzonych eksperymentów okazało się zastosowanie specjalnego układu magnesów o osiowej symetrii. Naukowcy wykorzystali jednocentymetrowy krążek z grafitu pirolitycznego, który unosi się nad magnesami ziem rzadkich. Innowacja polega na tym, że udało się wyeliminować powstawanie prądów wirowych, czyli głównego źródła strat energii w podobnych systemach.
Wykorzystując jednocentymetrowy grafitowy dysk i kilka magnesów ziem rzadkich, eksperymentalnie zademonstrowaliśmy i analitycznie udowodniliśmy, jak stworzyć diamagnetycznie lewitujący wirnik, który dzięki osiowej symetrii w ogóle nie doświadcza tłumienia prądami wirowymi – wyjaśnia Daehee Kim, pierwszy autor badania
Czytaj też: Zagadkowe zjawisko magnetyczne miało mieć źródło poza Ziemią. Prawda okazała się zgoła odmienna
Mechanizm działania opiera się na utrzymaniu wirnika w stałym polu magnetycznym podczas obrotu wokół centralnej osi. Dzięki temu nie dochodzi do zmian strumienia magnetycznego, które wcześniej generowały niepożądane prądy wirowe i powodowały straty energii. Badacze nie poprzestali na eksperymentalnej demonstracji: przedstawili również pełny dowód matematyczny potwierdzający ich odkrycie. Analiza wykazała, że w idealnych warunkach symetrii osiowej gęstość prądu dla przewodzącego dysku obracającego się ze stałą prędkością kątową wynosi dokładnie zero. W praktyce, przy bardzo niskich ciśnieniach, obserwuje się jedynie minimalne tłumienie wynikające z drobnych niedoskonałości układu. Nawet te szczątkowe straty można dalej redukować poprzez precyzyjną kontrolę warunków eksperymentu.
Co zrobić z tym faktem?
Nowa technologia budzi duże nadzieje w kontekście rozwoju ultraprecyzyjnych czujników. Beztarciowe wirniki mogłyby znaleźć zastosowanie w urządzeniach wykrywających minimalne zmiany nachylenia, przyspieszenia czy ciśnienia.
Może być rozpędzany do działania jako precyzyjne i niezawodne żyroskopy lub spowalniany – chłodzony – do reżimu kwantowego – zauważa Jason Twamley
Żyroskopy wykorzystujące tę technologię mogłyby oferować nieosiągalną dotąd dokładność przy znacznie mniejszych rozmiarach. Brak tarcia oznacza też dłuższy czas pracy bez konieczności kalibracji. Najbardziej intrygujące możliwości otwierają się w dziedzinie fizyki kwantowej. Gdy wirnik zostanie odpowiednio spowolniony, jego ruch może wejść w reżim kwantowy, gdzie klasyczne prawa fizyki przestają obowiązywać. Taka makroskopowa superpozycja rotacyjna pozwoliłaby na testowanie granic między światem kwantowym a klasycznym. To może prowadzić do przełomowych odkryć w rozumieniu fundamentalnych właściwości rzeczywistości.
Czytaj też: Historyczny eksperyment dostarczył kluczowej odpowiedzi na pytanie o prawa fizyki
Mimo obiecujących wyników, naukowcy wskazują na obszary wymagające dalszych prac. Ciśnienie otoczenia odgrywa kluczową rolę, ponieważ przy wyższych wartościach dominuje tłumienie spowodowane zderzeniami z cząsteczkami gazu, podczas gdy przy bardzo niskich ujawniają się efekty łamania symetrii. Pomiary eksperymentalne wykazały minimalny współczynnik tłumienia na poziomie 5,5 × 10^-5 Hz, co odpowiada przesunięciu łamiącemu symetrię o około 18 mikrometrów. Badacze szacują, że kontrola nachylenia w zakresie mikroradianów mogłaby zredukować tłumienie do poziomu 10^-11 Hz. Warto zauważyć, iż poprzednia wersja tego układu przeszła już testy w ekstremalnych warunkach – została wysłana w kosmos jako część eksperymentów badających ciemną materię i fale grawitacyjne. Połączenie teoretycznego zrozumienia z praktyczną realizacją tworzy fundament dla nowej generacji precyzyjnych instrumentów pomiarowych i może przyczynić się do postępu w badaniach podstawowych właściwości wszechświata.