Levitação diamagnética: um novo material que levita sem uma fonte de alimentação externa

Os pesquisadores desenvolveram uma plataforma baseada em grafite que pode levitar sem a necessidade de uma fonte de energia externa. Apesar de seu alto diamagnetismo, o novo material é um excelente isolante, o que limita a perda de energia devido à condutividade elétrica. Esta tecnologia magnética "sem atrito" abre caminho para novos tipos de sensores ultrassensíveis para medir a aceleração e a gravidade.

Os sistemas levitantes oferecem grandes oportunidades para estudar algumas das questões mais fundamentais da física, como a gravidade quântica e os mecanismos de perturbações ondulatórias induzidas gravitacionalmente. A maioria dos sistemas utiliza métodos ativos baseados no uso de campos ópticos ou eletromagnéticos (sistemas optomecânicos). A levitação diamagnética, por outro lado, é passiva: os materiais são "repelidos" por um campo magnético que os faz flutuar. Mais precisamente, quando um campo magnético externo é aplicado a um material diamagnético, este último gera um campo na direção oposta, afastando-o do primeiro.

Um dos materiais diamagnéticos mais estudados é o grafite, uma forma cristalizada de carbono encontrada em chumbos de lápis. Ímãs disponíveis comercialmente podem facilmente levitar placas de um centímetro ou pedaços de grafite. A força reduzida do campo magnético e os requisitos de material o tornam um material ideal para o desenvolvimento de sensores.

A levitação diamagnética também pode suportar massas muito maiores do que os sistemas tradicionais. Além disso, dispositivos magnéticos massivos têm maior sensibilidade em termos de acelerometria e gravimetria, parâmetros necessários para o estudo do comportamento quântico em larga escala.

No entanto, a aplicação técnica da levitação diamagnética à base de grafite é repleta de uma série de problemas, tais como a atenuação de correntes parasitas. Este é um fator que limita significativamente as flutuações magnéticas. Como o grafite é um condutor elétrico, quando uma corrente (correntes parasitas) passa por ele, seu campo magnético diminui.

Para superar essa dificuldade, pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão, desenvolveram uma técnica que permite que um material à base de grafite levite e oscile sem perder energia (magnética) e sem a necessidade de uma fonte de energia externa. Em outras palavras, uma vez acionada, a chamada "plataforma sem atrito" continua oscilando mesmo sem gasto adicional de energia. Os resultados do estudo foram publicados na revista Applied Physics Letters.

Quase tão preciso quanto os gravímetros atômicos

Para reduzir a atenuação das correntes parasitas, os pesquisadores desenvolveram um material de isolamento de grafite composto. É composto por micropartículas de grafite (micróbios mesocarbônicos com diâmetro de 11 micrômetros) revestidas com dióxido de silício e misturadas com cera. As correntes parasitas só podem fluir através de uma rede de partículas adjacentes ou diretamente em contato (condutoras). Eles também podem ser interrompidos pela presença de lacunas entre essas partículas. Portanto, o grafite compósito é um sistema muito promissor para levitação diamagnética.

"O revestimento isolante reduz a atenuação das correntes parasitas em quase uma ordem de magnitude em comparação com o grafite não revestido no mesmo tamanho de partícula", explicam os pesquisadores em seu relatório. O material resultante é uma placa quadrada fina de um centímetro quadrado que levita sobre ímãs dispostos na forma de uma treliça.

a) Partículas de grafite revestidas misturadas com cera. (b) Imagem de microscópio eletrônico de varredura de microesferas de grafite revestidas. Áreas verdes indicam silício e confirmam a presença de um revestimento isolante. (c) Configuração experimental do estudo.

No entanto, uma complicação adicional está na redução da energia cinética do sistema. Essa redução é necessária para melhorar a precisão da plataforma para que ela possa ser usada como sensor. Essa energia representa interferência (ou ruído) que pode interferir nas medições do sensor.

Uma plataforma levitante sem atrito deve superar os problemas de amortecimento magnético e turbulência cinética. O material composto, desenvolvido por pesquisadores em Okinawa, supera esses desafios com um sistema de controle de movimento de plataforma em tempo real. Esse processo consiste no disparo de feedback magnético, que reduz significativamente a energia cinética do ambiente.

"O calor causa movimento [no sistema], mas monitorando-o constantemente e fornecendo feedback em tempo real na forma de ação corretiva, podemos reduzir esse movimento", explica o líder do estudo, J. S. Smith. Twamli em um comunicado de imprensa da OIST. Em particular, a realimentação regula a taxa de amortecimento do sistema, ou seja, a taxa na qual ele perde energia. "Ao controlar o amortecimento, reduzimos a energia cinética do sistema, resfriando-o efetivamente", diz.

De acordo com a equipe, se o sistema for resfriado o suficiente, ele pode superar os gravímetros atômicos mais precisos até o momento. Para atingir esse nível de precisão, a plataforma também precisava ser isolada de interferências externas, como vibrações, campos magnéticos e correntes elétricas. A próxima tarefa dos pesquisadores será melhorar o sistema, a fim de liberar todo o seu potencial.