Fizičari iz Singapura, Italije, Velike Britanije i Latvije zavrtjeli su magnetsku kuglicu promjera oko 50 do 60 mikrometara na više od 2,3 milijuna okretaja u sekundi, odnosno 138 milijuna okretaja u minuti. Prema autorima, to je najbrža vrtnja koju je dosad postigao rotor koji lebdi u magnetskom polju. Kuglica lebdi iznad supravodiča ohlađenog na 4,2 kelvina, oko −269 °C, a usporava toliko sporo da istim uređajem mogu mjeriti tlak preostalog plina na toj temperaturi i provesti prvu, probnu potragu za jednom vrstom hipotetske tamne tvari.
Pokus je opisan u radu objavljenom 6. studenoga u časopisu Science Advances. Potpisuju ga istraživači singapurske agencije ASTAR, talijanskog Instituta za fotoniku i nanotehnologije (IFN-CNR) i zaklade Bruno Kessler u Trentu, Sveučilišta u Southamptonu i Sveučilišta u Latviji, a prvi je autor Joel K. Jose iz ASTAR-a.
Kako lebdi i kako se vrti
Rotor je kuglica od legure neodimija, željeza i bora, materijala od kojeg se izrađuju najjači trajni magneti. Smještena je u malu posudu od olova. Na 4,2 kelvina olovo postaje supravodič i izbacuje magnetsko polje iz svoje unutrašnjosti. Ta pojava, Meissnerov efekt, odbija magnet prema gore, pa kuglica lebdi bez dodira i bez ikakvog aktivnog održavanja položaja.
Kuglicu pokreću male zavojnice. Vrlo osjetljiv supravodljivi magnetski senzor, SQUID, prati njezino okretanje, a sustav joj daje magnetski poticaj u ritmu same vrtnje, kao kada se ljuljačka gura u pravom trenutku. Takav pogon grije magnet mnogo manje od uobičajenih metoda, pa radi i na vrlo niskim temperaturama.
Dosadašnji rekord za magnetski levitirani rotor držala je čelična kuglica promjera pola milimetra, koju je tim sa ETH-a u Zürichu 2018. zavrtio na 660.000 okretaja u sekundi. Nova je vrtnja oko tri i pol puta brža. Najbrža vrtnja uopće to nije: nanočestice koje lebde u laserskoj zamci zavrtjele su se i do milijardi okretaja u sekundi, ali one nisu magneti.
Gotovo bez trenja
Brzina nije jedini rezultat. Kada se pogon isključi, kuglica usporava iznimno sporo. Autori navode stopu prigušenja od 4,75 × 10⁻⁷ herca, što u ranijoj inačici rada preračunavaju u karakteristično vrijeme usporavanja od oko 24 dana. Za to vrijeme brzina vrtnje pala bi na otprilike trećinu početne.
Ono malo usporavanja što postoji uglavnom dolazi od sudara s molekulama plina u komori. Istraživači su to iskoristili: iz brzine usporavanja izračunali su tlak plina oko kuglice. Na istom načelu rade mjerači tlaka s vrtljivom kuglicom, koje mjeriteljski instituti koriste kao precizan referentni instrument. Prema autorima, takvi su mjerači dosad radili najniže na 77 kelvina, a novi uređaj mjeri tlak na 4,2 kelvina, u širokom rasponu i do 10⁻⁸ milibara. To je važno za kvantne tehnologije koje rade u kriostatima, jer sudari s preostalim plinom mogu narušiti krhka kvantna stanja.
Gdje ulazi tamna tvar
Tamna tvar nije izravno opažena. Njezino postojanje zaključujemo iz gravitacijskog djelovanja na galaksije i veće strukture. Jedan od kandidata su aksionima slične čestice, hipotetske čestice toliko lagane da bi se tamna tvar od njih ponašala kao vrlo slabo polje koje titra određenom frekvencijom. Magnet dovoljno osjetljiv na sitne zakretne sile mogao bi takvo polje osjetiti.
Vrtljivi magnet tu ima prednost: frekvenciju vrtnje moguće je mijenjati, pa bi mogao pretraživati raspon frekvencija, a time i raspon mogućih masa čestica. Autori su izmjerili toplinski šum zakretnog momenta, najmanja slučajna „guranja” koja dolaze od same topline sustava, dok se magnet vrtio u ritmu pogona. Iz toga su izveli, kako pišu u sažetku, „prvu preliminarnu uskopojasnu potragu za aksionima sličnom tamnom tvari”. Riječ je o probnom mjerenju, ne o otkriću.
Što je novo u odnosu na raniji pokus
U rujnu smo pisali o pokusu u kojem tamnu tvar traže magnetom koji lebdi iznad supravodiča. To je drugi rad i drugi tim, predvođen Christopherom Tunnellom sa Sveučilišta Rice, u suradnji sa Sveučilištem Leiden. Ondje je magnet mase 0,356 miligrama mirovao i čekao pojedinačne udarce vrlo teških čestica tamne tvari. U novom pokusu magnet se vrti, ciljana je tamna tvar suprotne vrste, iznimno lagana i nalik valu, a glavni su rezultati rekordna brzina vrtnje i mjerenje tlaka na temperaturi tekućeg helija.
O razlici između tamne tvari kao čestice i kao vala pisali smo u tekstu Hoćemo li tamnu tvar prepoznati po čestici ili po valu?. Levitirani senzori koriste se i za mjerenje vrlo slabih sila, primjerice u pokusu u kojem su fizičari izmjerili gravitaciju na čestici koja lebdi u magnetskoj zamci.
Što slijedi
Autori smatraju da usporavanje kuglice i dalje ponajviše uzrokuje preostali plin. Na temperaturama od nekoliko tisućinki kelvina, gdje plina praktički nema, prigušenje bi moglo biti mnogo manje, a s njim i šum. Tada bi isti uređaj mogao poslužiti za osjetljiviju potragu za tamnom tvari, ali i za pokuse o gravitaciji i granici između kvantnog i klasičnog svijeta. Zasad je to plan, a ne rezultat.
