Levitación magnética sin fuentes de energÃa externas
CientÃficos en Japón están estudiando materiales levitantes: sustancias que pueden permanecer suspendidas en una posición estable sin ningún contacto fÃsico o soporte mecánico.
El tipo más común de levitación se produce a través de campos magnéticos. Se pueden hacer que objetos como superconductores o materiales diamagnéticos (materiales repelidos por un campo magnético) floten sobre imanes para desarrollar sensores avanzados para diversos usos cientÃficos y cotidianos.
El equipo liderado por el profesor Jason Twamley, jefe de la Unidad de Máquinas Cuánticas del Instituto de Ciencia y TecnologÃa de Okinawa (OIST), y sus colaboradores internacionales, han diseñado una plataforma flotante en el vacÃo utilizando grafito e imanes.
Sorprendentemente, esta plataforma levitante funciona sin depender de fuentes de energÃa externas y puede ayudar en el desarrollo de sensores ultrasensibles para mediciones altamente precisas y eficientes. Sus resultados han sido publicados en la revista Applied Physics Letters.
Cuando se aplica un campo magnético externo a materiales "diamagnéticos", estos materiales generan un campo magnético en la dirección opuesta, lo que resulta en una fuerza repulsiva: se alejan del campo. Por lo tanto, los objetos hechos de materiales diamagnéticos pueden flotar sobre campos magnéticos fuertes. Por ejemplo, en los trenes maglev, potentes imanes superconductores crean un fuerte campo magnético con materiales diamagnéticos para lograr la levitación, aparentemente desafiando la gravedad.
El grafito, la forma cristalina del carbono que se encuentra en los lápices, es fuertemente repelido por los imanes (altamente diamagnéticos). Al recubrir quÃmicamente un polvo de perlas microscópicas de grafito con sÃlice y mezclar el polvo recubierto con cera, los investigadores formaron una placa cuadrada delgada de un centÃmetro que flota sobre imanes dispuestos en forma de cuadrÃcula.
Crear una plataforma flotante que no requiera energÃa externa presenta varios desafÃos. El mayor factor limitante es la "amortiguación de remolinos", que se produce cuando un sistema oscilante pierde energÃa con el tiempo debido a fuerzas externas. Cuando un conductor eléctrico, como el grafito, atraviesa un potente campo magnético, experimenta una pérdida de energÃa debido al flujo de corrientes eléctricas. Esta pérdida de energÃa ha desalentado el uso de la levitación magnética para desarrollar sensores avanzados.
Los cientÃficos del OIST se propusieron diseñar una plataforma que pueda flotar y oscilar sin perder energÃa, lo que significa que una vez puesta en movimiento, continuará oscilando durante un perÃodo prolongado, incluso sin aporte de energÃa adicional. Este tipo de plataforma "sin fricción" podrÃa tener muchas aplicaciones, incluidos nuevos tipos de sensores para medir la fuerza, la aceleración y la gravedad.
Sin embargo, incluso si los cientÃficos logran disminuir la amortiguación de los remolinos, existe otro desafÃo: minimizar la energÃa cinética de la plataforma oscilante. Reducir este nivel de energÃa es importante por dos razones. En primer lugar, hace que la plataforma sea más sensible para su uso como sensor.
En segundo lugar, enfriar su movimiento hacia el régimen cuántico (donde dominan los efectos cuánticos) podrÃa abrir nuevas posibilidades para mediciones de precisión. Por lo tanto, para lograr una plataforma flotante verdaderamente autosuficiente y sin fricción, es necesario resolver tanto los desafÃos de la amortiguación de remolinos como los de la energÃa cinética.
Para abordarlos, los investigadores se centraron en crear un nuevo material derivado del grafito. Al cambiarlo quÃmicamente, transformaron el grafito en un aislante eléctrico. Este cambio detiene las pérdidas de energÃa y permite que el material levite en el vacÃo.
En su configuración experimental, los cientÃficos monitorearon continuamente el movimiento de la plataforma. Utilizando esta información en tiempo real, aplicaron una fuerza magnética de retroalimentación para amortiguar el movimiento de la plataforma, esencialmente enfriando su movimiento y ralentizándolo significativamente.
"El calor provoca movimiento, pero al monitorear continuamente y proporcionar retroalimentación en tiempo real en forma de acciones correctivas al sistema, podemos disminuir este movimiento. La retroalimentación ajusta la tasa de amortiguación del sistema, que es la rapidez con la que pierde energÃa, por lo que al activar activamente Al controlar la amortiguación, reducimos la energÃa cinética del sistema, enfriándolo efectivamente", explicó Twamley en un comunicado.
"Si se enfrÃa lo suficiente, nuestra plataforma levitante podrÃa superar incluso a los gravÃmetros atómicos más sensibles desarrollados hasta la fecha. Estos son instrumentos de vanguardia que utilizan el comportamiento de los átomos para medir con precisión la gravedad. Lograr este nivel de precisión requiere una ingenierÃa rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico. Nuestro trabajo continuo se centra en perfeccionar estos sistemas para desbloquear todo el potencial de esta tecnologÃa".
La unidad del profesor Twamley se centra en el uso de materiales levitantes para construir osciladores mecánicos, sistemas que tienen movimientos repetitivos o periódicos alrededor de un punto central. Estas oscilaciones ocurren en diversos contextos, como péndulos, masas conectadas a resortes y sistemas acústicos.
