Los investigadores de la Unidad de Máquinas Cuánticas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) están estudiando materiales levitantes:sustancias que pueden permanecer suspendidas en una posición estable sin ningún contacto físico o soporte mecánico.
El tipo más común de levitación se produce a través de campos magnéticos. Se pueden hacer que objetos como superconductores o materiales diamagnéticos (materiales repelidos por un campo magnético) floten sobre imanes para desarrollar sensores avanzados para diversos usos científicos y cotidianos.
El profesor Jason Twamley, jefe de la unidad, y su equipo de investigadores de la OIST y colaboradores internacionales han diseñado una plataforma flotante en el vacío utilizando grafito e imanes. Sorprendentemente, esta plataforma levitante funciona sin depender de fuentes de energía externas y puede ayudar en el desarrollo de sensores ultrasensibles para mediciones altamente precisas y eficientes. Sus resultados han sido publicados en la revista Applied Physics Letters. .
Cuando se aplica un campo magnético externo a materiales "diamagnéticos", estos materiales generan un campo magnético en la dirección opuesta, lo que resulta en una fuerza repulsiva:se alejan del campo. Por lo tanto, los objetos hechos de materiales diamagnéticos pueden flotar sobre campos magnéticos fuertes. Por ejemplo, en los trenes maglev, potentes imanes superconductores crean un fuerte campo magnético con materiales diamagnéticos para lograr la levitación, aparentemente desafiando la gravedad.
El grafito, la forma cristalina del carbono que se encuentra en los lápices, es fuertemente repelido por los imanes (altamente diamagnéticos). Al recubrir químicamente un polvo de perlas microscópicas de grafito con sílice y mezclar el polvo recubierto con cera, los investigadores formaron una placa cuadrada delgada de un centímetro que flota sobre imanes dispuestos en forma de cuadrícula.
Crear una plataforma flotante que no requiera energía externa presenta varios desafíos. El mayor factor limitante es la "amortiguación de remolinos", que se produce cuando un sistema oscilante pierde energía con el tiempo debido a fuerzas externas. Cuando un conductor eléctrico, como el grafito, atraviesa un potente campo magnético, experimenta una pérdida de energía debido al flujo de corrientes eléctricas. Esta pérdida de energía ha desalentado el uso de la levitación magnética para desarrollar sensores avanzados.
Los científicos del OIST se propusieron diseñar una plataforma que pueda flotar y oscilar sin perder energía, lo que significa que una vez puesta en movimiento, continuará oscilando durante un período prolongado, incluso sin aporte de energía adicional. Este tipo de plataforma 'sin fricción' podría tener muchas aplicaciones, incluidos nuevos tipos de sensores para medir la fuerza, la aceleración y la gravedad.
Sin embargo, incluso si los científicos logran disminuir la amortiguación de los remolinos, existe otro desafío:minimizar la energía cinética de la plataforma oscilante. Reducir este nivel de energía es importante por dos razones. En primer lugar, hace que la plataforma sea más sensible para su uso como sensor.
En segundo lugar, enfriar su movimiento hacia el régimen cuántico (donde dominan los efectos cuánticos) podría abrir nuevas posibilidades para mediciones de precisión. Por lo tanto, para lograr una plataforma flotante verdaderamente autosuficiente y sin fricción, es necesario resolver los desafíos tanto de la amortiguación de remolinos como de la energía cinética.
Para abordarlos, los investigadores se centraron en crear un nuevo material derivado del grafito. Al cambiarlo químicamente, transformaron el grafito en un aislante eléctrico. Este cambio detiene las pérdidas de energía y permite que el material levite en el vacío.
En su configuración experimental, los científicos monitorearon continuamente el movimiento de la plataforma. Utilizando esta información en tiempo real, aplicaron una fuerza magnética de retroalimentación para amortiguar el movimiento de la plataforma, esencialmente enfriando su movimiento y ralentizándolo significativamente.
"El calor provoca movimiento, pero al monitorear continuamente y proporcionar retroalimentación en tiempo real en forma de acciones correctivas al sistema, podemos disminuir este movimiento. La retroalimentación ajusta la tasa de amortiguación del sistema, que es la rapidez con la que pierde energía, por lo que al Al controlar la amortiguación, reducimos la energía cinética del sistema, enfriándolo efectivamente", explicó el profesor Twamley.
"Si se enfría lo suficiente, nuestra plataforma levitante podría superar incluso a los gravímetros atómicos más sensibles desarrollados hasta la fecha. Estos son instrumentos de vanguardia que utilizan el comportamiento de los átomos para medir con precisión la gravedad. Lograr este nivel de precisión requiere una ingeniería rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico. Nuestro trabajo continuo se centra en perfeccionar estos sistemas para desbloquear todo el potencial de esta tecnología."
La unidad del profesor Twamley se centra en el uso de materiales levitantes para construir osciladores mecánicos, sistemas que tienen movimientos repetitivos o periódicos alrededor de un punto central. Estas oscilaciones ocurren en diversos contextos, como péndulos, masas conectadas a resortes y sistemas acústicos.
Esta investigación abre posibilidades interesantes para sensores ultrasensibles y para lograr un control preciso sobre plataformas oscilantes. Al combinar levitación, aislamiento y retroalimentación en tiempo real, el equipo del profesor Twamley está superando los límites de lo que se puede lograr en ciencia de materiales y tecnología de sensores.
Más información: S. Tian et al, Enfriamiento por retroalimentación de una placa aislante levitada diamagnéticamente de alta calidad, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0189219
Información de la revista: Cartas de Física Aplicada
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
