日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）量子機(jī)器部門的研究人員正在研究懸浮材料，這種材料可以在沒有任何物理接觸或機(jī)械支撐的情況下保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。

科研團(tuán)隊(duì)在真空中設(shè)計(jì)了一個(gè)使用石墨和磁鐵的懸浮平臺(tái)。值得注意的是，這種懸浮平臺(tái)在不依賴外部電源的情況下運(yùn)行，可以幫助開發(fā)超靈敏傳感器，實(shí)現(xiàn)高精度和高效的測(cè)量。近日，他們的研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上。

圖片來源：OIST

當(dāng)外部磁場(chǎng)施加到“反磁性”材料上時(shí)，這些材料會(huì)產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生排斥力。因此，由抗磁性材料制成的物體可以漂浮在強(qiáng)磁場(chǎng)上方。例如，在磁懸浮列車中，強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體創(chuàng)造了一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，與抗磁性材料實(shí)現(xiàn)懸浮，似乎可以對(duì)抗重力。

石墨是鉛筆中發(fā)現(xiàn)的碳的結(jié)晶體，磁鐵對(duì)它有強(qiáng)烈的排斥作用（抗磁性很強(qiáng)）。通過用二氧化硅對(duì)微觀石墨珠粉末進(jìn)行化學(xué)涂層，并將涂層粉末與蠟混合，研究人員形成了一個(gè)厘米大小的方形薄盤，懸浮在排列成網(wǎng)格圖案的磁體上方。

而要實(shí)現(xiàn)真正無摩擦、自我維持的懸浮平臺(tái)，需要解決渦流阻尼和動(dòng)能方面的挑戰(zhàn)。

為此，研究人員專注于創(chuàng)造一種源自石墨的新材料。通過化學(xué)改變，他們將石墨轉(zhuǎn)化為電絕緣體。這種變化可以阻止能量損失，同時(shí)允許材料在真空中懸浮。

在他們的實(shí)驗(yàn)裝置中，科學(xué)家們持續(xù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。利用這些實(shí)時(shí)信息，他們施加反饋磁力來抑制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)——本質(zhì)上是冷卻了它的運(yùn)動(dòng)，并顯著減慢了速度。

論文通訊作者、OIST量子機(jī)器部門負(fù)責(zé)人Jason Twamley教授解釋道：“熱量會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)，但通過持續(xù)監(jiān)測(cè)并以糾正措施的形式向系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋，我們可以減少這種運(yùn)動(dòng)。反饋會(huì)調(diào)整系統(tǒng)的阻尼率，即它損失能量的速度，因此通過主動(dòng)控制阻尼，我們可以降低系統(tǒng)的動(dòng)能，有效地讓它冷卻下來?！?/p>

“如果充分冷卻，我們的懸浮平臺(tái)甚至可以勝過迄今為止開發(fā)的最靈敏的原子重力儀。這些都是利用原子行為來精確測(cè)量重力的尖端儀器。要達(dá)到這種精度水平，需要嚴(yán)格的工程設(shè)計(jì)，將平臺(tái)與振動(dòng)、磁場(chǎng)和電噪聲等外部干擾隔離開來。我們正在進(jìn)行的工作重點(diǎn)是完善這些系統(tǒng)，以釋放這項(xiàng)技術(shù)的全部潛力?！?/p>

這項(xiàng)研究為超靈敏傳感器和實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩平臺(tái)的精確控制開辟了令人興奮的可能性。通過將懸浮、絕緣和實(shí)時(shí)反饋相結(jié)合，Twamley團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)材料科學(xué)和傳感器技術(shù)的發(fā)展。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1063/5.0189219

作者：張晴丹

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