Veda a výskum

Magnetický plášť z kombinácie supravodivých a feromagnetických materiálov

doc. Ing. Fedor Gömöry, DrSc.

Elektrotechnický ústav SAV

Šírenie rôznych vzruchov (napríklad tepla, zvuku, elektromagnetickej vlny, ale aj chemikálie alebo nákazlivého ochorenia) sa riadi zákonitosťami, intuitívne poznanie ktorých tvorí časť našej mentálnej výbavy. Pri spracovaní zrakového vnemu si už v útlom detstve osvojíme postupy, založené na zákonitostiach prenosu a odrazu svetelných lúčov. Neskôr nás pohľad do krivého zrkadla môže rozosmiať, ale aj zaskočiť, keď si uvedomíme, ako ľahko sa dá náš mozog oklamať. Hlboké pochopenie svetelných procesov je preto nevyhnutnou súčasťou vedeckého bádania. Jednou z horúcich tém súčasnej fyziky je zhotovenie „plášťa neviditeľnosti“: čo do neho zabalíme, to zostane ľudskému zraku skryté, ale neviditeľný musí byť aj samotný plášť. Aj keď vytrvalé úsilie špičkových vedeckých tímov prinieslo v tomto smere čiastkové výsledky, na úplné vyriešenie problému zatiaľ stále čakáme.
My sme sa zamerali na zhotovenie tzv. magnetického plášťa neviditeľnosti. Ten má schovať objekt, vyrobený z magnetického materiálu (napríklad železo), pred odhalením pomocou magnetického detektora. Vychádzali sme z existujúcich teoretických predpovedí našich kolegov z Universitat Autonoma de Barcelona. Podarilo sa nám konštrukciu zjednodušiť na dve funkčné vrstvy, vnútornú zo supravodivého a vonkajšiu z feromagnetického materiálu, a zrealizovať ju z komerčne dostupných materiálov. Merania ukázali, že magnetické pole v dutine plášťa je nulové, zatiaľ čo v jeho okolí sa nezmenilo.

Napriek malým rozmerom prvého plášťa (priemer aj výška približne 1 centimeter) mal výsledok celosvetový ohlas, a náš „dvojvrstvový princíp“ vzápätí použili výskumníci pri návrhu plášťa pre ochranu požiarnikov alebo pri novom spôsobe protikoróznej ochrany, ako i pri vývoji pokrytí s neobvyklými optickými vlastnosťami.
Komplikáciou pri hľadaní praktického využitia takéhoto magnetického plášťa je potreba udržiavať ho pri nízkej teplote -200°C. Tá sa ale dnes dá dosiahnuť s malými nákladmi, pomocou kvapalného dusíka.
Po principiálnom overení nášho riešenia sme sa zamerali na vylepšovanie vo viacerých smeroch. Najprv sme rozšírili použiteľnosť zo statických na striedavé magnetické polia (s frekvenciami do 300 Hz). Ďalej sme sa zamerali na zväčšovanie rozmerov pracovného priestoru – náš zatiaľ najväčší plášť má tvar valca s priemerom 4 centimetrov a výškou 15 cm. Aby sme popritom dosiahli zlepšenú kvalitu tienenia, museli sme postupne vymeniť všetky pôvodne použité materiály. V hľadaní vhodných riešení nám pomáhali a stále pomáhajú aj úplne nové metódy elektromagnetických výpočtov, ktoré nachádzajú využitie aj pri riešení iných problémov.

Experimentami sme potvrdili aj schopnosti skryť materiály s magnetickým prejavom v striedavom magnetickom poli. Pre tento účel sme zhotovili plášť, ktorého vnútorný priestor mal priemer 10 mm a dĺžku 95 mm. Použili sme dva typy „magnetického nákladu“: medenú tyč s priemerom 9 mm a dĺžkou 85 mm a železnú tyč s rovnakými rozmermi. Ich magnetické prejavy – pri teplote -195°C, amplitúde striedavého poľa 2,5 mT a frekvencii 72 Hz – boli podstatne silnejšie než zvyškový signál plášťa. Keď sme ich ale vložili jednotlivo do dutiny plášťa, detekčný systém zaznamenal v podstate iba prítomnosť samotného plášťa. Môžeme teda konštatovať, že pre magnetický detekčný systém sa plášť s ukrytým magnetickým nákladom prakticky nelíši od prázdneho plášťa.

Image1

Na zhotovenie prvého publikovaného magnetického plášťa sme použili pásku z vysokoteplotného supravodiča (VTS) a plech zo zliatiny FeNiCr (FM). Gömöry et al., Science 335 (2012) 1466-1468

 

Image2

Ukážka porovnania vypočítaných závislostí magnetického momentu zložiek plášťa (hnedá – feromagnetikum, zelená – supravodič) ako i celého plášťa (modrá) s nameranou krivkou (červená). Gömöry et al., Superconductor Science and Technology 28 (2015) 044001

 

Image3

Ľavý obrázok: červená magnetizačná krivka označená „Cu-rod“ bola zmeraná pre medenú tyč v magnetickom poli poľa s frekvenciou 72 Hz, fialová krivka označená „Fe-rod“ pre železnú tyč. Posledná krivka je nameraná pre prázdny magnetický plášť (označenie „Cloak empty“). Magnetizačná sľučka samotného plášťa nie je ideálna – tou by bola horizontálna čiara, identická pre oba smery zmeny poľa – ale v porovnaní s ostatnými dvoma sa blíži k charakteristike nemagnetického objektu.
Pravý obrázok ukazuje opäť krivku prázdneho plášťa v 10x citlivejšom zobrazení a jej minimálne zmeny po vložení medeného (červená) resp. železného (fialová) valčeka do dutiny plášťa. Šouc et al., Applied Physics Letters 109 (2016) 033507