Pesquisadores da Unidade de Máquinas Quânticas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) estão estudando materiais em levitação – substâncias que podem permanecer suspensas em uma posição estável sem qualquer contato físico ou suporte mecânico.
O tipo mais comum de levitação ocorre através de campos magnéticos. Objetos como supercondutores ou materiais diamagnéticos (materiais repelidos por um campo magnético) podem flutuar acima de ímãs para desenvolver sensores avançados para vários usos científicos e diários.
O professor Jason Twamley, chefe da unidade, e sua equipe de pesquisadores OIST e colaboradores internacionais projetaram uma plataforma flutuante no vácuo usando grafite e ímãs. Notavelmente, esta plataforma levitante opera sem depender de fontes de energia externas e pode auxiliar no desenvolvimento de sensores ultrassensíveis para medições altamente precisas e eficientes. Seus resultados foram publicados na revista Applied Physics Letters.
Quando um campo magnético externo é aplicado a materiais “diamagnéticos”, estes materiais geram um campo magnético na direção oposta, resultando numa força repulsiva – eles afastam-se do campo. Portanto, objetos feitos de materiais diamagnéticos podem flutuar acima de campos magnéticos fortes. Por exemplo, em trens maglev, poderosos ímãs supercondutores criam um forte campo magnético com materiais diamagnéticos para alcançar a levitação, aparentemente desafiando a gravidade.
A grafite, a forma cristalina do carbono encontrada nos lápis, é fortemente repelida por ímãs (altamente diamagnética). Ao revestir quimicamente um pó de esferas microscópicas de grafite com sílica e misturar o pó revestido em cera, os pesquisadores formaram uma placa quadrada fina do tamanho de um centímetro que paira acima dos ímãs dispostos em um padrão de grade.
A criação de uma plataforma flutuante que não requer alimentação externa apresenta vários desafios. O maior fator limitante é o “amortecimento de redemoinhos”, que ocorre quando um sistema oscilante perde energia ao longo do tempo devido a forças externas. Quando um condutor elétrico, como o grafite, passa por um poderoso campo magnético, ele sofre perda de energia devido ao fluxo de correntes elétricas. Esta perda de energia desencorajou o uso da levitação magnética para desenvolver sensores avançados.
Os cientistas do OIST decidiram projetar uma plataforma que pudesse flutuar e oscilar sem perder energia – o que significa que, uma vez colocada em movimento, continuará a oscilar por um longo período, mesmo sem entrada adicional de energia. Este tipo de plataforma “sem atrito” poderia ter muitas aplicações, incluindo novos tipos de sensores para medir força, aceleração e gravidade.
No entanto, mesmo que os cientistas consigam diminuir o amortecimento dos redemoinhos, há outro desafio: minimizar a energia cinética da plataforma oscilante. Reduzir este nível de energia é importante por duas razões. Primeiro, torna a plataforma mais sensível para uso como sensor.
Em segundo lugar, o arrefecimento do seu movimento em direção ao regime quântico (onde predominam os efeitos quânticos) poderia abrir novas possibilidades para medições de precisão. Portanto, para obter uma plataforma flutuante autossustentável e verdadeiramente sem atrito, os desafios do amortecimento de redemoinhos e da energia cinética precisam ser resolvidos.
Para resolver isso, os pesquisadores se concentraram na criação de um novo material derivado do grafite. Ao alterá-lo quimicamente, eles transformaram o grafite em um isolante elétrico. Esta mudança interrompe as perdas de energia enquanto permite que o material levite no vácuo.
Na sua configuração experimental, os cientistas monitorizaram continuamente o movimento da plataforma. Usando essas informações em tempo real, eles aplicaram uma força magnética de feedback para amortecer o movimento da plataforma – essencialmente resfriando seu movimento e desacelerando-o significativamente.
“O calor causa movimento, mas ao monitorar continuamente e fornecer feedback em tempo real na forma de ações corretivas ao sistema, podemos diminuir esse movimento. O feedback ajusta a taxa de amortecimento do sistema, que é a rapidez com que ele perde energia, portanto, ao controlar ativamente o amortecimento, reduzimos a energia cinética do sistema, resfriando-o efetivamente”, explicou o Prof.
“Se for suficientemente resfriada, nossa plataforma levitante poderá superar até mesmo os gravímetros atômicos mais sensíveis desenvolvidos até hoje. São instrumentos de última geração que utilizam o comportamento dos átomos para medir com precisão a gravidade. Alcançar esse nível de precisão requer uma engenharia rigorosa para isolar a plataforma de perturbações externas, como vibrações, campos magnéticos e ruído elétrico. Nosso trabalho contínuo se concentra em refinar esses sistemas para desbloquear todo o potencial desta tecnologia.”
A unidade do Prof. Twamley se concentra no uso de materiais levitantes para construir osciladores mecânicos - sistemas que têm movimento repetitivo ou periódico em torno de um ponto central. Essas oscilações ocorrem em diversos contextos, como pêndulos, massas conectadas a molas e sistemas acústicos.
Esta pesquisa abre possibilidades interessantes para sensores ultrassensíveis e para alcançar controle preciso sobre plataformas oscilantes. Ao combinar levitação, isolamento e feedback em tempo real, a equipe do Prof. Twamley está ampliando os limites do que é possível alcançar na ciência dos materiais e na tecnologia de sensores.