Μαγνητικά αιωρούμενος γραφίτης μετακινείται με laser

Posted on 27/12/2012

0


(Α) Η πειραματική διάταξη συνίσταται από ένα δίσκο γραφίτη διαμέτρου 3 χιλιοστών που αιωρείται πάνω από μαγνήτη NdFeB (Β) Ένα laser μετακινεί το δίσκο προς την κατεύθυνση της δέσμης φωτός (φωτογραφικά καρέ από το βίντεο παρακάτω)

(Α) Η πειραματική διάταξη συνίσταται από ένα δίσκο γραφίτη διαμέτρου 3 χιλιοστών που αιωρείται πάνω από μαγνήτη NdFeB (Β) Ένα laser μετακινεί το δίσκο προς την κατεύθυνση της δέσμης φωτός (φωτογραφικά καρέ από το βίντεο παρακάτω)

Η μαγνητική αιώρηση έχει επιτευχθεί για μια ποικιλία αντικειμένων, από τρένα μέχρι βατράχια (!) [π.χ. «Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets«   A. K. Geim (Νόμπελ Φυσικής 2010 για το γραφένιο)]

Τώρα σε μια νέα μελέτη, ερευνητές για πρώτη φορά χρησιμοποίησαν ένα laser για να ελέγξουν την κίνηση ενός αιωρούμενου δίσκου από γραφίτη. Αλλάζοντας τη θερμοκρασία του δίσκου, το laser μπορεί να αλλάξει το ύψος αιώρησης του δίσκου αλλά και να τον μετακινήσει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Το φως του laser ή του ήλιου μπορεί επίσης να προκαλέσει και την περιστροφή του αιωρούμενου δίσκου με συχνότητα έως και 200 στροφές ανά λεπτό. Τα παραπάνω θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ένα νέου τύπου συστήματος αξιοποίησης της φωτεινής ενέργειας.

Η μαγνητική αιώρηση ενός αντικειμένου πραγματοποιείται εξαιτίας του διαμαγνητισμού και ένα από τα ισχυρότερα διαμαγνητικά υλικά είναι ο γραφίτης. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του γραφίτη το ύψος της αιώρησης ελαττώνεται και αντιστρόφως. Η μεταβολή στη θερμοκρασία προκαλεί αλλαγή στην μαγνητική επιδεκτικότητα του γραφίτη ή με άλλα λόγια τον βαθμό με τον οποίο αντιδρά σ’ ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Σε ατομικό επίπεδο, το laser αυξάνει τον αριθμό των θερμικά διεγερμένων ηλεκτρονίων στον γραφίτη εξαιτίας του φωτοθερμικού φαινομένου. Η αύξηση του αριθμού αυτών των ηλεκτρονίων εξασθενίζει τις διαμαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη και έτσι ελαττώνεται το ύψος αιώρησης.

Εκτός από τον έλεγχο του ύψους αιώρησης του γραφίτη οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να τον μετακινήσουν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ή να τον περιστρέψουν αρκεί να αλλάξουν την θέση της φωτεινής δέσμης του laser πάνω στον δίσκο. Όταν το laser στοχεύει στο κέντρο του δίσκου από γραφίτη καθορίζεται το ύψος αιώρησής του. Όταν στοχεύει στο άκρο του δίσκου αλλάζει η κατανομή της θερμοκρασίας, οπότε και η μαγνητική επιδεκτικότητά του με τέτοιο τρόπο ώστε η απωστική μαγνητική δύναμη να γίνεται ασύμμετρη και ο γραφίτης να κινείται στην ίδια κατεύθυνση με τη δέσμη φωτός.

Για την περιστροφή του αιωρούμενου δίσκου οι ερευνητές αντικατέστησαν τους μαγνήτες ορθογώνιου σχήματος κάτω από τον αιωρούμενο γραφίτη, με μαγνήτες κυλινδρικού σχήματος και στόχευαν με το laser το άκρο του δίσκου από γραφίτη. Η ανισοκατανομή της θερμοκρασίας προκαλεί αυτή τη φορά την περιστροφή του αιωρούμενου δίσκου.
phys.org