Левитирующий шар измеряет невидимые силы экспресс
Магнитный шарик висит в пустоте над холодной металлической пластиной. Ни нитей, ни подставок — только невидимое поле сверхпроводника не даёт ему упасть. Если слегка толкнуть шар, он начнёт колебаться вверх-вниз, и частота этих колебаний зависит от того, насколько сильно его притягивает пластина.
Так устроен новый датчик силы. Вместо пружины или кантилевера — левитирующая сфера, а вместо прямого измерения смещения — сдвиг резонансной частоты, который улавливает сверхчувствительный микроволновый контур. Секрет в том, что чем крупнее шар, тем сильнее его движение влияет на сигнал, поэтому для точного измерения нужно меньше фотонов. Это открывает путь к квантовой метрологии с макроскопическими объектами.
Такая точность нужна, чтобы проверить, не отклоняется ли закон всемирного тяготения на расстояниях в доли микрометра. Некоторые теории предсказывают, что на таких масштабах появляются дополнительные силы — их называют юкавскими. Датчик сможет либо обнаружить их, либо поставить новые ограничения. А ещё он измерит эффект Казимира — притяжение, возникающее из-за квантовых флуктуаций вакуума между близкими поверхностями.
Пластину охлаждают почти до абсолютного нуля, а шар покрывают золотом, чтобы подавить паразитные электрические поля. Правда, золото создаёт вихревые токи, которые тормозят движение, — и здесь приходится искать баланс. Но если всё получится, мы впервые увидим, как макроскопический объект ведёт себя на границе квантового мира.
Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, поэтому шар левитирует без всякой опоры — как будто лежит на невидимой подушке.
В романе Артура Кларка «Фонтаны рая» описаны левитирующие строительные блоки для космического лифта — этот датчик использует похожий принцип магнитной левитации для научных измерений.