新材料为解锁无重力技术提供了潜力

冲绳科学技术研究所(OIST)量子机器部门的研究人员正在研究悬浮材料，即无需任何物理接触或机械支撑即可保持悬浮在稳定位置的物质。

最常见的悬浮类型是通过磁场发生的。超导体或抗磁性材料(被磁场排斥的材料)等物体可以漂浮在磁铁上方，以开发用于各种科学和日常用途的先进传感器。

该部门负责人JasonTwamley教授及其由OIST研究人员和国际合作者组成的团队使用石墨和磁铁设计了一个真空内浮动平台。值得注意的是，这个悬浮平台的运行不依赖外部电源，可以帮助开发超灵敏传感器，以实现高精度和高效的测量。他们的研究结果发表在《应用物理快报》杂志上。

当外部磁场施加到“抗磁性”材料时，这些材料会产生相反方向的磁场，从而产生排斥力——它们被推离磁场。因此，由反磁性材料制成的物体可以漂浮在强磁场之上。例如，在磁悬浮列车中，强大的超导磁体与反磁性材料产生强磁场，以实现悬浮，看似对抗重力。

石墨是铅笔中碳的结晶形式，对磁铁有强烈的排斥作用(高度抗磁性)。通过用二氧化硅对微观石墨珠粉末进行化学涂覆，并将涂覆的粉末与蜡混合，研究人员形成了一个厘米大小的薄方形板，悬浮在以网格图案排列的磁铁上方。

石墨复合板在磁铁上方长时间摆动，但随着时间的推移，由于空气摩擦而损失能量。图片来源：冲绳科学技术大学

创建不需要外部电源的浮动平台面临着几个挑战。最大的限制因素是“涡流阻尼”，当振荡系统由于外力而随着时间的推移而损失能量时，就会发生这种情况。当石墨等电导体穿过强大的磁场时，它会因电流的流动而经历能量损失。这种能量损失阻碍了使用磁悬浮来开发先进传感器。

OIST的科学家着手设计一个可以漂浮和振荡而不损失能量的平台，这意味着一旦启动，即使没有额外的能量输入，它也将持续较长时间的振荡。这种类型的“无摩擦”平台可以有许多应用，包括用于测量力、加速度和重力的新型传感器。

然而，即使科学家设法降低涡流阻尼，也存在另一个挑战：最小化振荡平台的动能。降低这种能量水平很重要，原因有两个。首先，它使平台作为传感器使用时更加灵敏。

其次，将其运动冷却到量子状态(量子效应占主导地位)可以为精确测量开辟新的可能性。因此，为了实现真正无摩擦、自持的浮动平台，需要解决涡流阻尼和动能挑战。

为了解决这些问题，研究人员专注于创造一种由石墨衍生的新材料。通过化学改变，他们将石墨转变为电绝缘体。这种变化阻止了能量损失，同时允许材料在真空中悬浮。

在他们的实验装置中，科学家们持续监测平台的运动。利用这些实时信息，他们应用反馈磁力来抑制平台的运动——从本质上冷却其运动并显着减慢其速度。

“热量会引起运动，但通过持续监控并以纠正措施的形式向系统提供实时反馈，我们可以减少这种运动。反馈会调整系统的阻尼率，即系统失去能量的速度，因此通过主动通过控制阻尼，我们可以减少系统的动能，从而有效地对其进行冷却。”Twamley教授解释道。

“如果充分冷却，我们的悬浮平台甚至可以超越迄今为止开发的最灵敏的原子重力仪。这些是利用原子行为来精确测量重力的尖端仪器。要达到这种精度水平，需要严格的工程设计来将平台与重力隔离开来。“振动、磁场和电噪声等外部干扰。我们正在进行的工作重点是改进这些系统，以释放这项技术的全部潜力。”

Twamley教授的团队专注于使用悬浮材料构建机械振荡器，即围绕中心点进行重复或周期性运动的系统。这些振荡发生在各种环境中，例如钟摆、连接到弹簧的质量以及声学系统。

这项研究为超灵敏传感器和实现对振荡平台的精确控制开辟了令人兴奋的可能性。通过将悬浮、绝缘和实时反馈相结合，Twamley教授的团队正在突破材料科学和传感器技术可实现的界限。