Akıllı bir tasarımla araştırmacılar, makroskobik kaldırma sistemlerinde girdap akımı sönümlemesini çözerek çok çeşitli algılama teknolojilerinin önünü açtı.
Havaya yükselme uzun süredir hem sahne sihirbazları hem de fizikçiler tarafından takip ediliyor. İzleyiciler için havada süzülen nesnelerin görüntüsü muhteşemdir. Bilim adamları için bu, nesneleri dış etkenlerden izole etmenin güçlü bir yoludur.
Bu özellikle rotorlar söz konusu olduğunda kullanışlıdır çünkü hem klasik hem de kuantum fiziğindeki diğer fenomenlerin yanı sıra yer çekimini, gaz basıncını, momentumu ölçmek için kullanılan tork ve açısal momentum sürtünmeden güçlü bir şekilde etkilenebilir. Rotorun serbestçe askıya alınması bu rahatsızlıkları büyük ölçüde azaltabilir ve şimdi Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (OIST) araştırmacılar, hassas mühendislik yoluyla neredeyse sürtünmesiz havaya yükselme büyüsünü Dünya’ya getiren böyle bir makroskobik cihazı tasarladı, yarattı ve analiz etti.
Optik veya elektriksel kaldırmayı kullanan mikro ölçekli cihazlar, son derece karmaşık kurulumlar gerektirir ve çevresel faktörlere karşı oldukça hassastır. Buna karşılık, oda sıcaklığında manyetik kaldırmayı kullanan makro ölçekli sistemler hem daha basit hem de çevreye çok daha dayanıklıdır ve mikro ölçekli cihazlarda asılı duran atomik parçacıklardan farklı olarak yerçekimine maruz kaldıkları için hem pratik gravimetri hem de kuantum ve klasik fizik arasındaki sınıra yönelik temel araştırmalar açısından ilgi çekicidirler. Bununla birlikte, bu kurulumlar uzun süredir girdap akımı sönümlemesi adı verilen bir durum nedeniyle engellenmektedir.
Şimdi yayınlanan bir çalışmada İletişim FiziğiOIST’teki Kuantum Makineleri Birimi üyeleri zarif bir çözüm buldu.
Daehee Kim, Ph.D. ünitedeki öğrenci ve makalenin başyazarı şöyle açıklıyor: “Bir santimetrelik bir grafit disk ve birkaç nadir toprak mıknatısıyla, eksenel simetri sayesinde hiçbir girdap akımı sönümlemesi yaşamayan, diyamanyetik olarak havaya yükselen bir rotorun nasıl oluşturulacağını deneysel ve analitik olarak kanıtladık. Dönüşünü yeterince yavaşlatabilirsek, hareketi kuantum rejimine girecek ve bu da kuantum için tamamen yeni bir platform açabilir. araştırma.”
Girdap akımlarında durumu tersine çeviriyoruz
İletken bir malzeme, örneğin mıknatıslara yaklaşarak veya uzaklaşarak, düzgün olmayan bir manyetik alandaki konumunu değiştirdiğinde, malzemenin içinde dolaşımdaki elektron akımları (veya girdapları) oluşur ve sürtünme direncine benzer şekilde harekete direnen karşıt manyetik alanlar yaratır. İstendiğinde girdap akımı sönümlemesinin, elektrikli el aletlerindeki etkili frenlerde ve Shinkansen hızlı trenlerinde olduğu gibi birçok pratik uygulaması vardır. Ancak fiziksel olayları bir rotorun hareketi yoluyla ölçmek istiyorsanız bu sürtünme sorunludur.
Geçtiğimiz yıl birim araştırmacıları, girdap akımlarını tüm plaka yerine tek tek toz tanecikleriyle sınırlayan ve girdap akımı sönümlemesini önemli ölçüde azaltan, silikayla kaplanmış ve balmumuna gömülmüş grafit tozundan kare bir plaka üreterek bu zorluğun üstesinden geldi. Bu havaya yükselen plakanın geliştirilmesi, yerçekimi gibi fiziksel olaylara son derece duyarlı olan hassas ivmeölçerlerin yolunu açtı.
Doğrudan ünitenin tasarımının daha önceki bir versiyonunu temel alan bir cihaz, diğer temel fizik sorularının yanı sıra karanlık madde etkileşimlerini ve gravimetrik dalgaları incelemek gibi gelecekteki uzay tabanlı havaya yükselme deneyleri için bir kavram kanıtı olarak yakın zamanda uzaya gönderildi.
Bununla birlikte, silika kaplı grafit tozunu birleştirmek için kullanılan balmumu, sistemin havaya yükselme gücünü önemli ölçüde azalttı, bu da onu diğer sistemlere entegrasyon için daha az uygun hale getirdi; çünkü dönüşünü izlemek için kullanılan bir ayna gibi ilave ağırlık sistemi bozabilir.
Yeni rotor diski tasarımı tamamen grafitten yapılmıştır, güçlü kaldırma kuvvetini korur ve ideal bir sistemde girdap akımı sönümlemesini tamamen ortadan kaldırır.
Birim başkanı ve çalışmanın kıdemli yazarı Profesör Jason Twamley şöyle açıklıyor: “Plaka tasarımı, yukarı ve aşağı hareket ederken hafif bir girdap akımı sönümlemesi yaşıyor, çünkü manyetik güç (veya akı) değişiyor ve silika kaplı grafit tanecikleri içinde girdap akımları oluşturuyor.” “Fakat bir rotor, mıknatısların üzerindeki merkezi ekseni etrafında dönerken aynı manyetik alanda kalır. Akıda bir değişiklik yaşanmaz ve bu nedenle girdap akımı sönümlemesini ortadan kaldırır.”
Simülasyonlarla modellenen, matematiksel olarak kanıtlanan ve deneysel olarak gösterilen sistemin hassasiyeti artık yalnızca grafit plakanın ve mıknatısların ideal eksenel simetriye ulaşmak için işlenmesine ve mükemmel vakuma mümkün olduğunca yaklaşılarak hava sürtünmesinin azaltılmasına bağlıdır.
Prof. Twamley şöyle özetliyor: “Üretim sürecindeki pratik iyileştirmeler sayesinde, havaya yükselen rotorumuz nanometre yerine milimetre ölçeğinde çalışan son derece hassas sensörler için mükemmeldir.” “Hassas ve güvenilir jiroskoplar olarak hizmet verecek şekilde döndürülebilir veya kuantum rejimine döndürülerek soğutulabilir.
“İkincisi ile özellikle ilgileniyoruz, çünkü bu, vakum yerçekimi ve rotasyonel süperpozisyon gibi kuantum olgularının makroskobik düzeyde incelenmesi için çok umut verici bir platform.”
