Рекордно быстро вращающийся магнит может помочь в открытии новой физики

Фото из открытых источников

Крошечный магнит, парящий в ловушке из сверхпроводника, возможно, является самым быстро вращающимся объектом, который можно увидеть невооруженным глазом, и одним из самых быстрых вращающихся тел, когда-либо созданных человеком. В будущем он может быть использован в экспериментах по поиску загадочных частиц темной материи, а также способствовать развитию квантовых технологий. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Сверхпроводники — это материалы, обладающие идеальной электропроводностью; кроме того, они выталкивают из себя любое магнитное поле — явление, известное как эффект Мейснера. Благодаря этому магнит, помещенный над сверхпроводником, испытывает силу отталкивания и начинает левитировать. Тао Ван из Агентства по науке, технологиям и исследованиям (Сингапур) вместе с коллегами заставил такой левитирующий магнит вращаться с беспрецедентно высокой скоростью.

Исследователи использовали сферический магнит из неодима, железа и бора диаметром около 30 микрометров — примерно толщина человеческого волоса. Они поместили его в цилиндрический контейнер из свинца, который, в свою очередь, находился в вакуумной камере — пространстве, полностью лишенном воздуха.

Затем с помощью жидкого гелия всю систему охладили примерно до -269°C — температуры, лишь на несколько градусов превышающей абсолютный ноль. В таких экстремальных условиях свинец перешел в сверхпроводящее состояние, а отсутствие воздуха позволило магниту левитировать, не сталкиваясь с какими-либо частицами. С помощью магнитной катушки ученые привели магнит во вращение, разогнав этот крошечный ротор до 138 миллионов оборотов в минуту.

По словам Тао Вана, вращение магнита было крайне стабильным: для того, чтобы скорость вращения снизилась вдвое, потребовалось бы 17 дней — в обычных условиях из-за взаимодействия с окружающей средой замедление произошло бы гораздо быстрее. «По количеству оборотов, совершаемых до заметного замедления, это сопоставимо с вращением Земли, — отмечает исследователь. — На сегодняшний день это самый быстрый ротор, удерживаемый в состоянии магнитной левитации». Рекорд скорости вращения среди объектов, созданных человеком, также принадлежит левитирующей сфере — правда, наноразмерной (невидимой невооруженным глазом), которая удерживается в воздухе с помощью лазерных лучей.

Поскольку ротор практически не испытывает трения, а сам он является магнитным и охлажденным, его поведение крайне чувствительно к воздействиям окружающей среды. Это делает его перспективным сенсором: исследователи уже успешно испытали его в качестве датчика вакуума при сверхнизких температурах. По словам Ванга, разработка может пригодиться при создании квантовых компьютеров, для работы которых часто требуются условия глубокого охлаждения и полной изоляции.

Бенджамин Стиклер из Ульмского университета (Германия) отмечает, что левитирующий вращающийся магнит можно использовать для высокоточного обнаружения и измерения магнитных полей.

Андреа Винанте из Национального исследовательского совета Италии, также входящий в состав научной группы, добавляет, что такая система может стать перспективной платформой для фундаментальных физических исследований — например, для поиска эффектов, связанных с частицами темной материи, или для регистрации гравитационных волн в диапазонах частот, которые пока остаются неизученными. Кроме того, при сверхнизких температурах начинают доминировать квантовые эффекты, поэтому устройство можно использовать для изучения квантовой механики и ее взаимодействия с гравитацией в микрометровом масштабе.