Физики предсказали левитацию наномагнитов

Физики из Австрии и Германии теоретически исследовали магнитную левитацию наночастиц в статическом магнитном поле. Оказалось, что в слабых полях устойчивость частиц обеспечивается эффектом Эйнштейна-де Гааза, а в сильных — ларморовской прецессией. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В отсутствие внешних сил, например, гравитации или упругости, любая равновесная система зарядов будет неустойчивой (этот факт известен как теорема Ирншоу). Грубо говоря, такое равновесие похоже на равновесие балансирующего на острие карандаша. Статическое магнитное поле в этом плане не отличается от электрического, а значит, подвешенные в нем системы также должны быть неустойчивы. Тем не менее, существует несколько способов обойти эту проблему.

Один из таких способов — механически закрутить магнит, что стабилизирует его и создаст эффективную потенциальную яму. Примером такой конструкции является левитрон, который представляет собой небольшой магнитный волчок. С другой стороны, на атомном уровне такая стабилизация возможна благодаря эффекту ларморовской прецессии спина частицы. В этой работе ученые теоретически показали, что для наномагнитов, которые находятся в промежуточном положении между этими двумя случаями, реализуются оба механизма стабилизации в зависимости от силы приложенного магнитного поля.

Для этого физики моделировали наномагниты как сферическое твердое тело с магнитокристаллической анизотропией, которое они помещали в статическое магнитное поле Иоффе — Притчарда. Действием гравитации ученые пренебрегали из-за относительно малой массы наночастицы. Затем они нашли в квазиклассическом приближении положение равновесия частицы в таком поле и исследовали его на устойчивость. Тепловыми флуктуациями ученые также пренебрегли.

Оказалось, что в слабых полях бóльшую роль играет взаимодействие, возникающее из-за анизотропии наномагнита, и частица приобретает вращательный момент благодаря эффекту Эйнштейна-да Гааза. В этом случае суммарный спин частицы заблокирован в направлении анизотропии из-за закона сохранения энергии. С другой стороны, в сильных полях анизотропией можно пренебречь, и важнее оказывается эффект ларморовской прецессии спина. Эти результаты можно получить непосредственно из анализа характеристических многочленов матрицы модели.

Авторы считают, что этот эффект может иметь приложения в различных областях квантовой динамики, например, для сжатия спинов и улучшения чувствительности магнитных сенсоров.

В прошлом году компания Levitation Works анонсировала левитирующее зарядное устройство для умных часов. Также недавно мы писали о том, как ученые из Университета Сассекса разработали прототип акустического левитатора, предназначенного для удержания и переноса по воздуху капель и кусочков пищи.

Дмитрий Трунин