シンガポールで、研究者たちはミニチュア回転ディスクが駆動電源を切った後も10時間以上回転し続けることに成功しました。この持続時間は、そのサイズに対して記録的な低エネルギー損失を示しており、GPS信号が失われた際の新しいナビゲーション方法を提供します。シンガポールのA*STAR量子イノベーションセンターの科学者たちは、このミリメートル級のローターを構築し、精密センシング技術の進展の一環として位置づけています。研究結果は『ネイチャー・コミュニケーションズ』誌に発表されました。
シンガポールの研究者が低エネルギー損失のミニチュア回転ディスクを成功裏に実現
このローターは、永久磁石の上に浮かぶ反磁性浮上技術を利用しています。この技術は、浮上を維持するために持続的な電源供給を必要としません。固定極を持つ磁石とは異なり、反磁性材料はあらゆる磁場に対してわずかな抵抗を示し、ゼロエネルギー消費で浮上することができます。この浮上技術は長年存在していますが、固有の欠陥がありました。ローターが磁場を通過する際に渦電流が発生し、これらの微小な電流環が回転エネルギーを消費し、回転速度を低下させるのです。研究者たちは、大型ローターのエネルギー損失を減少させるために努力してきました。
A*STARチームの解決策は、回転対称性に依存しています。ローターが回転中にほぼすべての点で同じ磁場を経験するため、通常エネルギーを消費する渦電流が大幅に抑制されます。この効果は非常に顕著です。このローターの回転運動におけるエネルギー損失の速度は、その横方向または上下運動の100,000倍遅いです。この不均衡により、チームは3.85μHzのエネルギー散逸率を測定しました。これはミリメートル級の機械ローターとしては史上最低の記録です。
A*STARチームの革新的な設計が量子研究の新たな方向性を開く
研究者たちは静電力とリアルタイムフィードバック制御を利用して、ローターを毎分930回転に加速しました。高真空環境で駆動電源を切った後、ローターは自身の慣性により10時間以上回転し続け、最終的に減速を始めました。主任研究員の陳賢豐氏は、これほど低いエネルギー損失を大型ローターで実現することは常に未解決のトレードオフ問題であったと述べています。彼は、新しい設計がこの制約を克服し、より大きな機械システムにおける精密センシングと量子研究の道を開いたと指摘しました。
この持続的な回転は、ジャイロスコープの性能に直接変換されます。安定したローターは毎秒0.0065度の回転を検出でき、この感度は既存の慣性ナビゲーションハードウェアの商業基準に達しています。チームのモデルは、さらなる改良の後にこのプラットフォームが最終的にナビゲーションレベルの感度に達する可能性があると予測しています。このレベルの精度は、GPSがカバーできない地域での自律型水中航行器などの操作に十分です。
A*STARの主任量子科学者である林炳鎏氏は、この成果がミリメートル級のパッシブ浮上、常温動作、高回転速度、そして記録的な低回転エネルギー損失という、単一のシステムにおいて稀にしか得られない4つの能力を組み合わせたものであると述べています。林氏は、この結果をA*STARとシンガポールのより広範な量子研究エコシステムの制御システム、浮上物理、精密工学、センシングにおける専門知識に帰しています。チームの次のステップには、ローターの回転速度を加速し、その長期的な安定性を改善することが含まれています。また、最終的には手頃な価格の商業化されたナビゲーションセンサーに組み込むために、支援ハードウェアのサイズを縮小する計画もあります。