Физики-экспериментаторы подвесили в сверхпроводящей ловушке крошечный магнит, сильно остудили его и раскрутили до гигантской скорости. Впечатляющие результаты опытов приведены на страницах Science Advances. Авторы статьи утверждают, что их магнитно левитирующий ротор — скорее всего, самый быстро вращающийся рукотворный объект из тех, что видны невооруженным глазом.
В основе экспериментов с левитацией лежит эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из сверхпроводника при его охлаждении ниже критической температуры. Это поле отталкивает магнит — и он висит, ничего не касаясь.
Экспериментаторы взяли сферический магнит из неодима, железа и бора диаметром около 60 мкм, поместили его в цилиндрический контейнер из свинца, а сам контейнер заключили в вакуумную камеру. Установку охладили жидким гелием примерно до −269 °C, что придало свинцу свойства сверхпроводника. С помощью магнитной катушки магнит раскрутили до 2,3 МГц, то есть до 138 миллионов оборотов в минуту.
Отсутствие воздуха гарантировало близкое к нулевому трение, поэтому вращение почти не замедлялось. По подсчетам исследователей, на снижение скорости вдвое потребовалось бы около 17 дней.
«Если считать, сколько оборотов он делает, прежде чем заметно замедлиться, то это тот же порядок, что и вращение Земли. На сегодняшний день это самый быстрый магнитно левитирующий ротор», — подчеркивает один из руководителей исследования Тао Ван из Центра квантовых инноваций Агентства по науке, технологиям и исследованиям Сингапура A*STAR.
Рекорд самого быстрого вращающегося искусственного объекта также принадлежит левитирующей сфере, но та была наноразмерной — невидимой невооруженным глазом — и левитировала под действием лазерных лучей.
Поскольку ротор практически не испытывает трения, а сам он магнитный и холодный, его вращение очень чувствительно к окружающей среде — что делает крутящийся магнит превосходным датчиком. Гироскоп уже испытали в качестве измерителя вакуума при очень низких температурах. По словам Вана, это может пригодиться создателям квантовых компьютеров, которые для работы часто должны содержаться в условиях экстремального холода и изоляции.
Левитирующий вращающийся магнит можно также использовать для точного детектирования и измерения магнитных полей, говорит профессор Беньямин Штиклер из Ульмского университета.
Кроме того, он может стать перспективной платформой для проверки фундаментальной физики — например, для оценки эффектов, связанных с частицами темной материи, или для регистрации гравитационных волн на частотах, до сих пор остающимися недоступными для измерения, полагает руководитель исследования Андреа Винанте из Национального исследовательского совета Италии. Вдобавок при очень низких температурах начинают доминировать квантовые эффекты, так что ротор можно использовать даже для изучения квантовой механики и ее взаимодействия с гравитацией на микрометровых масштабах, добавляет он.