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日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)科學(xué)家成功研制出一種近乎零摩擦的可自由懸浮旋轉(zhuǎn)的石墨轉(zhuǎn)子。這一成果解決了長(zhǎng)期困擾宏觀懸浮系統(tǒng)的“渦流阻尼”問(wèn)題，為高精度測(cè)量和量子研究開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《通訊·物理》雜志。
人們看到物體飄浮在空中會(huì)驚嘆不已，而科學(xué)家則將這種“失重”狀態(tài)視為隔絕外界干擾的一種理想方式。對(duì)科學(xué)家而言，懸浮可將實(shí)驗(yàn)對(duì)象與外界干擾隔離，尤其在涉及轉(zhuǎn)子等精密測(cè)量裝置時(shí)意義重大。轉(zhuǎn)子的扭矩和角動(dòng)量可用于測(cè)量重力、氣壓、動(dòng)量等物理量，但摩擦和阻力往往會(huì)干擾測(cè)量。若能讓轉(zhuǎn)子在無(wú)接觸、自由懸浮的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，就能顯著提升實(shí)驗(yàn)精度。
與依賴復(fù)雜光學(xué)或電學(xué)系統(tǒng)的微尺度裝置不同，宏觀系統(tǒng)可在常溫下實(shí)現(xiàn)磁懸浮，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。然而，這類系統(tǒng)長(zhǎng)期受渦流阻尼限制。導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)狀電流，形成抵抗運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，類似“磁性摩擦”，導(dǎo)致能量損耗和信號(hào)干擾。
此次，團(tuán)隊(duì)利用直徑約1厘米的石墨圓盤和稀土磁體，設(shè)計(jì)出抗磁懸浮轉(zhuǎn)子。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)分析證明，只要系統(tǒng)具備完美軸對(duì)稱性，就能完全消除渦流阻尼。如果能進(jìn)一步減緩旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)將進(jìn)入量子態(tài)，為宏觀量子研究提供新平臺(tái)。
最新設(shè)計(jì)在理想條件下徹底消除了渦流阻尼。團(tuán)隊(duì)表示，改進(jìn)后的自由懸浮轉(zhuǎn)子有望成為毫米級(jí)乃至微米級(jí)高精度傳感器核心部件，可用于高靈敏度陀螺儀，也可在低溫下進(jìn)入量子態(tài)，用于探索真空引力效應(yīng)等宏觀量子現(xiàn)象。
