Vật liệu lơ lửng trên bệ bằng nam châm (nguồn: OIST).
GS Jason Twamley và nhóm nghiên cứu tại OIST đã thiết kế thành công một tấm vuông mỏng cỡ vài cm bằng than chì, có thể lơ lửng phía trên các nam châm được sắp xếp theo mô hình dạng lưới. Đáng chú ý là tấm lơ lửng này hoạt động mà không cần phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài. GS Jason Twamley cho biết, khi các vật liệu “nghịch từ” được áp một từ trường ngoại vi, chúng sẽ sinh ra một từ trường theo hướng ngược lại. Do đó, các vật liệu được làm từ “nghịch từ” có thể nổi lên trên các từ trường mạnh.
Tuy nhiên, giới hạn lớn nhất của nghiên cứu là damping eddy - hiện tượng xảy ra khi một hệ thống dao động mất năng lượng theo thời gian do các lực ngoại vi. Khi một vật liệu dẫn điện (như than chì) đi qua một trường từ mạnh, nó sẽ trải qua mất mát năng lượng do dòng điện. Chính vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế một nền tảng có thể lơ lửng và dao động mà không mất năng lượng - có nghĩa là một khi được đặt vào chuyển động, nó sẽ tiếp tục dao động trong một khoảng thời gian kéo dài, ngay cả khi không có năng lượng bổ sung. Tuy nhiên, ngay cả khi đã giảm thiểu damping eddy, vẫn còn một thách thức khác cần quan tâm, đó là giảm thiểu động năng của vật liệu. Việc giảm thiểu động năng là quan trọng nhờ vào 2 lý do: i) nó làm cho vật liệu nhạy cảm hơn, thích hợp để sử dụng làm cảm biến siêu nhạy; ii) việc làm lạnh chuyển động về chế độ lượng tử, từ đó có thể mở ra tiềm năng mới cho các phép đo với độ chính xác cực cao.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra một vật liệu mới. Bằng cách biến đổi than chì từ một chất dẫn điện thành cách điện. Sự thay đổi này ngăn chặn sự mất mát năng lượng, đồng thời cho phép vật liệu lơ lửng trong môi trường chân không. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phủ mỗi hạt than chì bằng một lớp silica. Polyethylene glycol (PEG) giúp silica bám vào bề mặt của than chì. Sau đó, các hạt này được phủ thêm một lớp sáp và tạo thành thành tấm “nghịch từ” cách điện.
Hạt than chì được phủ Silica (nguồn: OIST).
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học giám sát liên tục chuyển động của vật liệu. Họ tiến hành áp dụng một lực từ từ tính phản hồi để giảm thiểu chuyển động của tấm “nghịch từ” (về cơ bản là làm lạnh chuyển động và làm chậm nó lại). GS Jason Twamley giải thích thêm, nhiệt độ gây ra chuyển động, nhưng bằng cách liên tục giám sát và điều chỉnh, nhóm nghiên cứu đã có thể giảm thiểu chuyển động này. Bằng cách kiểm soát tích cực quá trình damping, nhóm đã giảm thiểu năng lượng chuyển động của hệ thống, từ đó giảm độ tiêu hao năng lượng. GS Jason Twamley chia sẻ, nếu được làm mát đủ, vật liệu này có thể vượt qua cả các máy cân nguyên tử nhạy nhất được phát triển cho đến nay. Nghiên cứu này cũng mở ra những khả năng thú vị để phát triển các cảm biến siêu nhạy, giúp chúng đạt được khả năng kiểm soát chính xác trên các nền tảng dao động tương tự.
Xuân Bình (theo OIST)