خلاصه خبر:
محققان موسسه علم و فناوری اوکیناوا با استفاده از گرافیت و آهنربا یک پلت فرم معلق ایجاد کرده اند که بدون نیروی خارجی کار می کند. این تیم با پوشش شیمیایی دانه‌های گرافیت و قرار دادن آنها در وکس، یک صفحه مربع نازک ایجاد کردند که بالای یک شبکه آهن‌ربایی شناور است. این پلتفرم با تبدیل گرافیت به یک عایق الکتریکی، بر اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک هوا غلبه می‌کند. فیدبک آنی برای کاهش حرکت پلت فرم و خنک کردن آن به میزان قابل توجهی اعمال می شود. پلت فرم بدون اصطکاک دارای کاربردهای بالقوه در سنسورهای فوق حساس و کنترل دقیق سیستم های نوسانی است. اگر به اندازه کافی سرد شود، می تواند از گرانش سنج های اتمی فعلی بهتر عمل کند. این تحقیق امکاناتی را در زمینه حسگرهای اینرسی و مغناطیسی، علوم کوانتومی و مطالعه ارتباط گرانش با فیزیک کوانتومی باز می کند.
توضیحات تکمیلی:
محققان واحد ماشین‌های کوانتومی در مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) در مطالعه مواد معلق (levitating materials)، که موادی هستند که می‌توانند بدون هیچ گونه تماس فیزیکی یا پشتیبانی مکانیکی در یک موقعیت ثابت معلق باقی بمانند، پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند. این تیم به رهبری پروفسور جیسون تواملی، یک پلتفرم شناور با استفاده از گرافیت و آهنربا ایجاد کرده است که در خلاء عمل می کند و نیازی به منابع انرژی خارجی ندارد. این پلتفرم پتانسیل ایجاد انقلابی در توسعه حسگرهای فوق حساس برای اندازه گیری های بسیار دقیق و کارآمد را دارد.
پدیده شناور بودن عمدتاً از طریق میدان‌های مغناطیسی اتفاق می‌افتد، جایی که اجسام متشکل از مواد دیامغناطیسی توسط میدان‌های مغناطیسی دفع می‌شوند و باعث شناور شدن آنها در بالای آهنربا می‌شوند. محققان با پوشش شیمیایی دانه‌های گرافیتی میکروسکوپی با سیلیس یا همان silica و ترکیب آنها در یک ماتریس مومی (wax matrix)، یک صفحه مربع نازک به اندازه یک سانتی‌متر ایجاد کردند که بالای یک الگوی شبکه‌ای از آهنربا قرار دارد. با این حال، پلت فرم در طول زمان به دلیل اصطکاک هوا از دست دادن انرژی را تجربه می کند.
یکی از چالش های اصلی در ایجاد یک پلت فرم شناور بدون اصطکاک، eddy damping است که به اتلاف انرژی در یک سیستم نوسانی در اثر نیروهای خارجی اشاره دارد. هدف این تیم مهندسی پلت فرمی بود که بتواند بدون از دست دادن انرژی شناور مانده و نوسان کند و آن را برای کاربردهای مختلف از جمله انواع جدید حسگرها برای اندازه گیری نیرو، شتاب و گرانش مناسب کند.
برای غلبه بر eddy damping و کاهش انرژی جنبشی پلت فرم نوسانی، محققان گرافیت را به صورت شیمیایی به یک عایق الکتریکی تبدیل کردند و به طور موثری از اتلاف انرژی جلوگیری کردند و در عین حال به مواد اجازه دادند در خلاء معلق شوند. با نظارت مداوم بر حرکت پلت فرم و اعمال فیدبک آنی در قالب یک نیروی مغناطیسی، تیم با موفقیت حرکت پلت فرم را کاهش داد و آن را به میزان قابل توجهی خنک کرد.
کاربردهای بالقوه این پلت فرم شناور بسیار گسترده است. اگر به اندازه کافی خنک شود، می تواند حتی از حساس ترین گرانش سنج های اتمی، که ابزارهای پیشرفته ای هستند که برای اندازه گیری دقیق گرانش استفاده می شوند، بهتر عمل کند. محققان در حال حاضر بر روی پالایش سیستم برای جداسازی پلت فرم از اغتشاشات خارجی مانند ارتعاشات، میدان های مغناطیسی و نویز الکتریکی تمرکز کرده اند تا پتانسیل کامل آن را باز کنند.
این تحقیق پیشگامانه، امکانات جدیدی را برای سنسورهای فوق حساس و کنترل دقیق بر روی پلتفرم های نوسانی باز می کند. تیم OIST با ترکیب شناور بودن، عایق بندی و فیدبک آنی، مرزهای علم مواد و فناوری حسگر را گسترش می‌دهد. پیامدهای کار آنها به زمینه هایی مانند حسگرهای اینرسی و مغناطیسی، علوم کوانتومی و مطالعه ارتباط بین گرانش و فیزیک کوانتومی گسترش می یابد.
منبع
S. Tian et al, Feedback cooling of an insulating high-Q diamagnetically levitated plate, Applied Physics Letters (2024). DOI: 10.1063/5.0189219
