Zamaskovat vliv permanentního magnetu není vůbec jednoduché. I sami můžete provést sice málo citlivé, ale názorné pokusy: zkuste malý magnet ukrýt tak, aby na něj nereagovala střelka kompasu umístěného v jeho bezprostřední blízkosti. Když pro skrýš použijete magnetické materiály, jako je železo nebo jeho slitiny, pole magnetu jenom zesílíte. Ale příliš si nepomůžete, ani když ho budete ukrývat do nemagnetických (para- a diamagnetických) materiálů – hliník, měď, mosaz, sklo, dřevo...
Návod na to, jak ukrýt magnet i před detektory citlivých přístrojů a zneviditelnit jim i jeho samotnou skrýš, nabízí v nejnovějším vydání časopisu Science šestice vědců. Tři z nich - Fedor Gömöry, Mykola Solovyov a Ján Šouc - pracují na bratislavském Elektrotechnickém ústavu Slovenské akademie věd a další trojice, Carles Navau, Jordi Prat-Camps a Alvaro Sanchez, jsou ze skupiny elektromagnetizmu Katedry fyziky na Universitat Autonoma de Barcelona. Španělé již před půlrokem publikovali v časopisu New Journal of Physics teoretické principy, podle nichž by měl magnetický plášť neviditelnosti fungovat. Slovenští vědci mají hlavní podíl na vytvoření a testech prvního skutečného prototypu.
Tým Alvara Sancheze si při úvahách nad konstrukcí dobře maskovaného magnetického krytu stanovil dva základní požadavky. Za prvé, že nebude lokálně ovlivňovat vnější magnetické pole, tedy nebude ve svém okolí deformovat jeho siločáry. Měřící přístroj tak nezaznamená žádnou poruchu v homogenitě pole. A za druhé, magnetická neviditelnost se zachová, i když se do této antimagnetické skrýše vloží malý permanentní magnet. Jeho pole tedy nesmí „prosakovat“ ven. Takový úkol je bezpochyby zajímavou výzvou. Řešení si vyžaduje kombinaci výrazného diamagnetického efektu se stejně intenzivní feromagnetickou odezvou tak, aby došlo k jejich vzájemné kompenzaci. Co to znamená v překladu do lidštiny? Připomeňme si známé ukázky magnetické levitace, při níž se permanentní magnet vznáší nad podchlazeným supravodičem. Na tomto principu funguje i maglev a v budoucnu snad bude i vesmírný startovací tunel.
Levitace souvisí s jednou z úžasných vlastností supravodiče, který kromě toho, že za velmi nízkých teplot neklade žádný elektrický odpor procházejícímu proudu, je i extrémně diamagnetický – vnější magnetické pole v jeho povrchových vrstvách indukuje pole srovnatelné intenzity, ale opačné polarity. Supravodič tak doslova vypuzuje vnější magnetické pole, jenž pak do něho nepronikne. Proto se magnet nad ním vznáší v libovolné poloze. Ať ho totiž natočíte jakýmkoli směrem, supravodič okamžitě reaguje vytvořením adekvátního „protipole“.
Co se tedy stane, když magnet vložíme do prostoru obklopeného supravodičem? „Protipole“, které se na povrchu vnitřních stěn supravodiče indukuje, nejen zajistí jeho levitaci ve středu takového úkrytu, ale nepropustí jeho magnetické pole ven. Přesto by se citlivý přístroj v blízkosti tohoto systému doslova zbláznil. Naměřil by totiž supravodičem způsobenou zápornou anomálii, jež je jeho reakcí na to pole vnější, například všudypřítomné geomagnetické. Tento jev by se pozoroval bez ohledu na to, jestli by permanentní magnet ve vnitřním prostoru byl, nebo ne. Na zastínění tohoto vnějšího „protipole“ supravodiče tedy musíme použít další stínící vrstvu. Ta musí být z materiálu, který působí opačně a okolní magnetické pole lokálně dostatečně zesílí vlastní výraznou magnetizací, jež má s ním souhlasnou polaritu. Touto vlastností se vyznačují feromagnetika, z nichž nejznámější jsou železo, kobalt a nikl, ale patří mezi ně i některé prvky vzácných zemin, jako gadolinium, dysprosium nebo europium, dále pak slitiny těchto prvků a případně některé sloučeniny. O doménové vnitřní struktuře, které feromagnety vděčí za schopnost silné magnetizace, se více dočtete v článku Laser do magnetické paměti s desetinásobnou kapacitou zapisuje dvě stě krát rychleji.
Kdybychom situaci chtěli znázornit pomocí siločár vnějšího pole, pak supravodiči se budou vyhýbat. Nebudou jím procházet, nýbrž ho obtekou. Naopak, všechny feromagnety siločáry vnějšího pole „přitahují“. Situaci znázorňuje obrázek vpravo.
Jenže jak zkombinovat diamagnetické vlastnosti supravodiče s feromagnetickými vlastnostmi speciální slitiny tak, aby se protichůdné reakce na vnější pole vykompenzovaly? Slovensko – španělský tým to řešil pro jednodušší případ homogenního statického magnetického pole. Vědci vycházeli z již zveřejněných výsledků teoretické práce a vytvořili dutý váleček o délce 12 mm s vnitřním průměrem 12,5 mm. Jeho dvě vrstvy tvoří několik na sobě navrstvených navinutí tenké, 12 mm široké pásky. Ta vnitřní o tloušťce 1 mikrometru je ze supravodiče, jehož jméno REBCO prozrazuje složení: RE označuje některý vhodný prvek ze skupiny vzácných zemin (z anglického Rare Earth), B zastupuje barium, C měď a O kyslík. Na vyvolání supravodivého efektu je nutné REBCO podchladit kapalným dusíkem, jehož teplota varu je 77 K (-196 °C). Je to sice extrémně nízká teplota, přesto supravodiče, kterým stačí a nepotřebují intenzivnější chlazení tekutým heliem (teplota varu 4,22 K), se označují jako vysokoteplotní.
Diamagnetické vlastnosti supravodiče eliminuje vnější feromagnetická vrstva ze sedmi navinutí tenkého pásu slitiny železa, niklu a chromu FeNiCr. Každé navinutí supravodiče i feromagnetika odděluje mezivrstva z tenké izolační polyimidové kaptonové pásky. Toto řešení umožňuje lepší kontrolu nad kompenzací obou proti sobě působících reakcí na vnější magnetické pole – míry, kterou ho supravodič vytěsňuje a míry, kterou ho feromagnetický povrch válečku přitahuje.
Magneticky neviditelný prototyp byl testován v homogenním poli o intenzitě 40 militesla (asi 80 krát více, než je hodnota zemského magnetického pole v našich zeměpisných šířkách). Přesná měření v těsné blízkosti dvojvrstevného válečku přece jenom odhalila malou výchylku dokazující, že k dokonalé kompenzaci magnetických vlastností supravodiče a jeho feromagnetického obalu chybí ještě krůček. I tak je toto řešení vzhledem na relativní jednoduchost a využití komerčně dostupných materiálů velmi elegantní. Není však řešením konečným, ale počátečním. Nabízí tak odrazový můstek pro další zdokonalování. Teplota, která je kvůli supravodičové vrstvě důležitým faktorem limitujícím možnosti použití válečku magnetické neviditelnosti, plní i funkci vypínače. Za běžné situace bychom v jeho okolí naměřili kladnou anomálii způsobenou feromagnetickou složkou, případně i v něm ukrytým magnetem. Stačí však vše zchladit tekutým dusíkem a simsala-bim - váleček detekčním přístrojům zmizí.
Jako většina experimentů i tento si vyžádal přípravnou fázi výpočtů a počítačových simulací. Vědci při nich brali v úvahu ideální supravodič, kterého magnetická permeabilita, jež u daného materiálu udává míru jeho možné magnetizace vnějším polem, je rovna nule. Odvodili matematickou závislost určující, v jakém vzájemném poměru musí být vnitřní a vnější poloměry obou vrstev při známé magnetické permeabilitě vnějšího feromagnetického materiálu, aby došlo k úplné kompenzaci. Výpočty i s výslednými jednoduchými, a tedy i sympatickými vzorci pro případ antimagnetického krytu ve tvaru válce i koule v prostředí homogenního statického pole jsou uvedené ve volně dostupných doplňkových informacích k článku v časopisu Science. Jsou zde i graficky znázorněné výsledky matematicko-fyzikálního modelu situace, kdy v různé vzdálenosti od válečku se ve vnějším magnetickém poli vytvoří nehomogenita vložením malého permanentního magnetu. Symetrický, na toto uspořádání pole neuzpůsobený antimagnet ji sice nedokáže zcela vykompenzovat, i tak se s ní vypořádá celkem dobře, což dokazuje průběh jen málo zdeformovaných siločár.
Zpráva z tiskové besedy konané na půdě Slovenské akademie věd doplněna o fotografické záběry zde.
Video: Před několika měsíci španělští fyzikové zveřejnili teoretický princip a výpočty potřebné k vytvoření antimagnetu. Ve spolupráci se slovenskými kolegy z Elektrotechnického ústavu SAV ale dokázali z dostupných materiálů navinout jednodušší, i když ne úplně dokonale magneticky zamaskovaný dutý váleček.
Další video v půvabné španělštině zde.
Diskuze:
