A*STAR: магнитный микроротор в сверхпроводящей ловушке достиг 138 млн об/мин при 4,2 К

Исследователи Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR) в Сингапуре под руководством доктора Тао Вана раскрутили магнитный микрошар, левитирующий за счёт эффекта Мейснера, выше 2,3 мегагерца, то есть до 138 млн об/мин. Результат опубликован в Science Advances science.orgScience Advancesscience.orgОткрыть источник ↗. Эксперимент шёл при 4,2 кельвина. По данным исследования, прежний рекорд для магнитно левитирующего ротора составлял 660 000 оборотов в секунду.

Авторы сообщают об исключительно малом коэффициенте затухания 4,75 × 10⁻⁷ герца при наиболее благоприятных условиях вакуума. По измеренной модели, без привода скорость вращения упала бы вдвое лишь примерно через 17 суток.

Сверхпроводящая ловушка и ротор

Магниты были почти сферическими и состояли из сплава неодим-железо-бор. Их радиусы составляли примерно от 24 до 30 микрометров, то есть диаметры около 48–60 микрометров. Значение 138 млн об/мин получено на магните радиусом около 30 микрометров.

Ротор левитировал в сверхпроводящей свинцовой ловушке внутри вакуумной камеры, охлаждённой жидким гелием до 4,2 кельвина, примерно минус 269 градусов Цельсия. Магнитная катушка раскручивала шар, а сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (SQUID) регистрировал его движение. По данным исследования, более высокие скорости возможны с более быстрой считывающей электроникой, но в итоге ограничены механической нагрузкой на шар.

Измерение давления и первый поиск тёмной материи

Остаточные молекулы газа тормозят ротор, а при очень низком давлении это трение приближённо пропорционально плотности газа. Поэтому команда определяла давление по спаду скорости вращения прямо в холодной точке измерения science.orgScience Advancesscience.orgОткрыть источник ↗. Измерения продемонстрированы в диапазоне примерно от 10⁻³ до 10⁻⁸ миллибар. При самых низких давлениях значение выводилось из вращательного затухания и не подтверждалось вторым независимым прибором у ротора. Метод остаётся лабораторным экспериментом, а не серийным датчиком.

Вращающийся магнит можно также синхронизировать с внешним периодическим магнитным полем. В этом режиме установка зафиксировала тепловой шум момента силы на частоте 20 килогерц. Данные использовали для первого узкого поиска аксионоподобной тёмной материи, которая в некоторых моделях проявлялась бы как предельно слабое переменное магнитное поле.

В исследованном окне частот шириной около двух герц подходящего сигнала не нашли, поэтому удалось вывести лишь верхний предел возможного взаимодействия. Авторы называют результат предварительным; он не является доказательством существования тёмной материи. Чтобы оценить возможности ротора как прибора, нужны измерения в значительно более широком диапазоне частот и с дальнейшим снижением помех.