Japanski istraživači kvantnih strojeva na Institutu za znanost i tehnologiju u Okinawi OIST već duže vrijeme proučavaju levitirajuće materijale, tvari koje mogu ostati ovješene u stabilnom položaju bez fizičkog kontakta ili mehaničke potpore.

Plutajuća platforma

Najčešći tip levitacije događa se kroz magnetska polja. Objekti kao što su supravodiči ili dijamagnetski materijali koje odbija magnetsko polje mogu se natjerati da lebde iznad magneta kako bi se razvili napredni senzori za razne znanstvene i svakodnevne svrhe. Na OIST-u su tako osmislili plutajuću platformu unutar vakuuma koristeći grafit i magnete. 

Ova lebdeća platforma radi bez oslanjanja na vanjske izvore energije i može pomoći u razvoju ultraosjetljivih senzora za vrlo precizna i učinkovita mjerenja. Rezultate svog rada objavili su u časopisu Applied Physics Letters.

Dijamagnetični grafit

Kad se vanjsko magnetsko polje primijeni na dijamagnetske materijale, oni stvaraju magnetsko polje u suprotnom smjeru, što rezultira odbojnom silom. Stoga predmeti izrađeni od dijamagnetskih materijala mogu lebdjeti iznad jakih magnetskih polja. Na primjer, u maglev vlakovima snažni supravodljivi magneti stvaraju snažno magnetsko polje s dijamagnetskim materijalima za postizanje levitacije, naizgled prkoseći gravitaciji.

Jako dijamagnetičan materijal je grafit, kristalni oblik ugljika koji se nalazi u olovkama, koji se zbog toga snažno odbija od magneta. Kemijskim oblaganjem praha mikroskopskih grafitnih kuglica silicijevim dioksidom i miješanjem obloženog praha u vosku, istraživači su formirali tanku kvadratnu ploču veličine centimetra koja lebdi iznad magneta raspoređenih u rešetkastom uzorku.

Gubitak energije

Stvaranje plutajuće platforme koja ne zahtijeva vanjsko napajanje ima nekoliko izazova, a gubitak energije zbog protoka električne struje svakako je jedan od njih. Na OIST-u namjeravaju konstruirati platformu koja može lebdjeti i oscilirati bez gubitka energije. To znači da će, jednom kad se pokrene, nastaviti oscilirati dulje vrijeme, čak i bez dodatnog unosa energije. 

Pitanje je i kako minimizirati kinetičku energije oscilirajuće platforme. Smanjenje ove razine energije važno je iz dva razloga. Prvo, čini platformu osjetljivijom za korištenje kao senzor i drugo, hlađenje njegovog kretanja prema kvantnom režimu moglo bi otvoriti nove mogućnosti preciznog mjerenja. 

Učinkovito hlađenje

Da bi se postigla uistinu samoodrživa plutajuća platforma bez trenja, potrebno je riješiti izazove prigušenja vrtloga i kinetičke energije. Kemijskom promjenom istraživači su grafit transformirali u električni izolator koji zaustavlja gubitke energije i dopušta materijalu da lebdi u vakuumu. Primijenili su povratnu magnetsku silu kako bi prigušili i usporili kretanje platforme.

"Vrućina uzrokuje kretanje, ali kontinuiranim praćenjem i pružanjem povratnih informacija u stvarnom vremenu možemo smanjiti to kretanje. Povratne informacije prilagođavaju stopu prigušenja sustava, odnosno gubitka energije pa aktivno kontrolirajući prigušenje ujedno smanjujemo kinetičku energiju sustava, učinkovito ga hladeći", objašnjavaju istraživači.

Pomicanje granica

Ako se dovoljno ohladi, ova levitirajuća platforma mogla bi nadmašiti čak i najosjetljivije atomske gravimetre, vjeruju istraživači. Riječ je o vrhunskim instrumentima koji koriste ponašanje atoma za precizno mjerenje gravitacije. A da bi se to postiglo potrebno je rigorozan inženjering kojim će se platforma izolirati od vanjskih smetnji kao što su vibracije, magnetska polja i električni šum. 

U laboratoriju u Okinawi levitirajuće materijale koriste za izradu mehaničkih oscilatora, sustava koji imaju ponavljajuće ili periodično gibanje oko središnje točke. Kombinirajući levitaciju, izolaciju i povratne informacije u stvarnom vremenu, japanski stručnjaci ne odustaju od namjere da pomaknu granice onoga što je moguće postići u znanosti o materijalima i tehnologiji senzora.