Le type de lévitation le plus courant se produit grâce aux champs magnétiques. Des objets tels que des supraconducteurs ou des matériaux diamagnétiques (matériaux repoussés par un champ magnétique) peuvent être amenés à flotter au-dessus d'aimants pour développer des capteurs avancés destinés à diverses utilisations scientifiques et quotidiennes.

Le professeur Jason Twamley, chef de l'unité, et son équipe de chercheurs de l'OIST et de collaborateurs internationaux ont conçu une plate-forme flottante dans le vide utilisant du graphite et des aimants. Remarquablement, cette plate-forme en lévitation fonctionne sans recourir à des sources d’alimentation externes et peut contribuer au développement de capteurs ultra-sensibles pour des mesures très précises et efficaces. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Applied Physics Letters .

Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à des matériaux « diamagnétiques », ces matériaux génèrent un champ magnétique dans la direction opposée, ce qui entraîne une force répulsive :ils s'éloignent du champ. Par conséquent, les objets constitués de matériaux diamagnétiques peuvent flotter au-dessus de champs magnétiques puissants. Par exemple, dans les trains à sustentation magnétique, de puissants aimants supraconducteurs créent un champ magnétique puissant avec des matériaux diamagnétiques pour réaliser la lévitation, défiant apparemment la gravité.

Le graphite, la forme cristalline du carbone présente dans les crayons, est fortement repoussé par les aimants (hautement diamagnétiques). En enduisant chimiquement une poudre de billes de graphite microscopiques avec de la silice et en mélangeant la poudre enrobée avec de la cire, les chercheurs ont formé une fine plaque carrée de la taille d'un centimètre qui plane au-dessus d'aimants disposés en grille.

La création d'une plate-forme flottante ne nécessitant aucune alimentation externe présente plusieurs défis. Le plus grand facteur limitant est « l'amortissement des Foucaults », qui se produit lorsqu'un système oscillant perd de l'énergie au fil du temps en raison de forces externes. Lorsqu’un conducteur électrique, comme le graphite, traverse un champ magnétique puissant, il subit une perte d’énergie due à la circulation des courants électriques. Cette perte d'énergie a découragé l'utilisation de la lévitation magnétique pour développer des capteurs avancés.

Les scientifiques de l'OIST ont entrepris de concevoir une plate-forme capable de flotter et d'osciller sans perdre d'énergie, ce qui signifie qu'une fois mise en mouvement, elle continuera à osciller pendant une période prolongée, même sans apport d'énergie supplémentaire. Ce type de plate-forme « sans friction » pourrait avoir de nombreuses applications, notamment de nouveaux types de capteurs pour mesurer la force, l'accélération et la gravité.

Cependant, même si les scientifiques parviennent à diminuer l’amortissement des Foucaults, il reste un autre défi :minimiser l’énergie cinétique de la plate-forme oscillante. Réduire ce niveau d’énergie est important pour deux raisons. Premièrement, cela rend la plateforme plus sensible pour une utilisation comme capteur.

Deuxièmement, ralentir son mouvement vers le régime quantique (où les effets quantiques dominent) pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de mesures de précision. Par conséquent, pour obtenir une plate-forme flottante véritablement sans friction et autonome, les défis d'amortissement des turbulences et d'énergie cinétique doivent être résolus.

Pour y remédier, les chercheurs se sont concentrés sur la création d’un nouveau matériau dérivé du graphite. En le modifiant chimiquement, ils ont transformé le graphite en isolant électrique. Ce changement stoppe les pertes d'énergie tout en permettant au matériau de léviter dans le vide.

Dans leur configuration expérimentale, les scientifiques ont surveillé en permanence le mouvement de la plateforme. À l'aide de ces informations en temps réel, ils ont appliqué une force magnétique de rétroaction pour amortir le mouvement de la plate-forme, refroidissant ainsi son mouvement et le ralentissant considérablement.

"La chaleur provoque des mouvements, mais en surveillant continuellement et en fournissant un retour d'information en temps réel sous la forme d'actions correctives au système, nous pouvons diminuer ce mouvement. Le retour ajuste le taux d'amortissement du système, c'est-à-dire la rapidité avec laquelle il perd de l'énergie, donc en activement En contrôlant l'amortissement, nous réduisons l'énergie cinétique du système, le refroidissant ainsi efficacement", a expliqué le professeur Twamley.

"Si elle est suffisamment refroidie, notre plate-forme en lévitation pourrait surpasser même les gravimètres atomiques les plus sensibles développés à ce jour. Ce sont des instruments de pointe qui utilisent le comportement des atomes pour mesurer avec précision la gravité. Atteindre ce niveau de précision nécessite une ingénierie rigoureuse pour isoler la plate-forme de perturbations externes telles que les vibrations, les champs magnétiques et le bruit électrique. Nos travaux en cours se concentrent sur le perfectionnement de ces systèmes pour libérer tout le potentiel de cette technologie. "

L'unité du professeur Twamley se concentre sur l'utilisation de matériaux en lévitation pour construire des oscillateurs mécaniques, des systèmes qui ont un mouvement répétitif ou périodique autour d'un point central. Ces oscillations se produisent dans divers contextes, tels que les pendules, les masses reliées à des ressorts et les systèmes acoustiques.

Cette recherche ouvre des possibilités passionnantes pour les capteurs ultra-sensibles et permet d’obtenir un contrôle précis des plates-formes oscillantes. En combinant la lévitation, l'isolation et la rétroaction en temps réel, l'équipe du professeur Twamley repousse les limites de ce qui est réalisable en science des matériaux et en technologie des capteurs.