Свръхпроводимост и вакуум: Как учените направиха най-бързия микроскопичен ротор

В лаборатoрната практика рекордите рядко са цел самите по себе си; те са страничен продукт от борбата срещу паразитното триене и топлинния шум. Когато екипът от Сингапурската агенция за наука, технологии и изследвания A*STAR, съвместно с колегите си от Националния изследователски съвет на Италия, публикува резултатите от експеримента с неодимовия ротор, информираният наблюдател първо гледа не цифрата от 138 милиона оборота в минута, а конфигурацията на вакуумната криостатна система. Постигането на 2,3 мегахерца честoта на въртене при обект с маса от порядъка на стотици нанограма изисква пълно изолиране от термични и механични смущения. В противен случай роторът просто се пръска под действието на собственото си центростремително ускорение или излита от капана поради нестабилност в магнитното поле.

Основата на този експеримент не е нова – тя стъпва върху класическия ефект на Майснер-Оксенфелд, открит още през първата половина на миналия век. Когато цилиндричният оловен контейнер се охлади с течен хелий до температура около 4.2 келвина (приблизително -269 градуса по Целзий), оловото преминава в свръхпроводящо състояние. Магнитното поле на малката сферична проба от неодим-желязо-бор с диаметър шестдесет микрометра бива напълно изтласкано от обема на оловните стени. В резултат на това се образува идеална магнитна възглавница, която държи ротора във въздуха без никакъв физически контакт с конструкцията. Липсата на лагери или механични държачи премахва основния източник на триене, който в конвенционалната механика ограничава скоростите на въртене.

За да се разбере обаче суровата реалност на този процес, трябва да се погледне вътре във вакуумната камера. Безопорната левитация е само половината от уравнението. Втората половина е поддържането на толкова висок вакуум, че остатъчните молекули газ да не упражняват вискозно съпротивление върху повърхността на микросферата. При налягания от порядъка на едва милиардни части от милибара, молекулярното триене намалява до нива, при които на ротора са му необходими около седемнадесет денонощия, за да загуби половината от кинетичната си енергия. Развъртането се осъществява чрез външна намотка, която генерира променливо високочестотнотно магнитно поле, улавящо собствения магнитен момент на неодимовата сфера.

Механични граници и криогенна логистика

Зад блясъка на формулировката „най-бързо въртящият се обект, видим с просто око“ стои тежък материаловедски проблем. Неодимовите магнити са известни със своята висока остатъчна магнетизация, но от гледна точка на кристалната структура те са сравнително крехки интерметални съединения. При 138 милиона оборота в минута повърхностната скорост на 60-микронната сфера достига стотици метри в секунда, а вътрешните механични напряжения се доближават до границата на якост на материала. Ако пробата съдържа микроскопични дефекти, кухини или микропукнатини, възникнали при изработването ѝ, центробежните сили просто я раздробяват на прах за частици от секундата.

Предишни публикации в тази област описват подобни опити с използване на лазерна левитация върху наночастици, където са постигани и по-високи честоти, но там масите са нищожни, а самото светлинно налягане нагрява обекта до хиляди градуси, докато той се изпари. Изборът на екипа на Тао Уанг да използва чисто магнитно окачване при криогенни температури избягва лазерното нагряване, но вкарва експеримента в друг сложен режим. Охлаждането с течен хелий изисква постоянна инфраструктура, компресори, дебели вакуумни кожуси и деликатно калибриране на намотките, защото всяко микроскопично изменение в температурата променя критичното поле на оловния капан и води до срив на левитацията.

Противно на популярните представи, че такъв ротор може да се върти вечно, тук действат неумолими физически ограничения. Дори при абсолютен вакуум съществуват така наречените спин-магнитни загуби и пренареждане на магнитните домени вътре в неодима. Въртящият се магнитен дипол излъчва електромагнитни вълни на честотата на въртене, макар и с изключително малка мощност. Това излъчване действа като спирачка. Освен това, ако оловният капан съдържа минимални примеси или нехомогенности в свръхпроводящия си слой, преминаването на магнитния поток през тях създава вихрови токове, които бавно, но сигурно отнемат от кинетичната енергия на ротора.