Lasergesteuerter diamagnetisch schwebender Mikromotor mit Graphenoxidpapier und Seltenerdmagneten

Hier demonstrieren wir einen Effekt, der wie der klassische Traktorstrahl aus Science-Fiction-Filmen und Fernsehsendungen aussieht. Wir haben Stücke aus dünnem Graphen hergestellt, die über einem Bett aus Seltenerd-Permanentmagneten schweben können, die mit einem handgehaltenen, fokussierbaren 5 mW 390-405 nm-Laserstrahl herumgeschubst oder in Rotation versetzt werden können.

Das Phänomen demonstriert anschaulich, wie es möglich ist, Licht, sei es von einem Laserstrahl oder gebündeltem Sonnenlicht, in mechanische Energie umzuwandeln.

Dies demonstriert einfache Prinzipien der Energieübertragung und zeigt, wie Motoren und Motoren nach dem Prinzip der magnetischen Spin-Freiheitsgrade arbeiten können, um reversible Wärmezyklen zu erzeugen, in denen keine Atome oder Moleküle bewegt werden, was eine mögliche alternative Möglichkeit bietet, Sonnenenergie zu nutzen.

Es zeigt auch die Prinzipien einer Magnetschwebebahn, wie in bestimmten Materialien Diamagnetismus verwendet werden kann, um Objekte aus einer Magnetspur zu schweben.

Da dieses Prinzip im Gegensatz zu aktuellen Hochtemperatur-Supraleitern bei Raumtemperatur funktioniert, könnte es als einfaches Demonstrationskit in Schulen nützlich sein, da keine Kühlflüssigkeit wie flüssiger Stickstoff benötigt wird.

Durch das Abscheiden von ferromagnetischen Nanopartikeln auf den dünnen Graphenfilmen wurde auch festgestellt, dass sich die Filme beim Belichten mit UV-Licht verbiegen und nach Beendigung der Belichtung in ihre ursprüngliche Position zurückkehren konnten, was eine schwache Hysterese im Material für eine potenzielle Verwendung als optisches Speichermaterial demonstriert .

Die Tatsache, dass ein Laser mit niedriger Leistung das Graphem aus einer angemessenen Entfernung im Vakuum bewegen kann, könnte bedeuten, dass er in nicht allzu ferner Zukunft zu einem praktischen Werkzeug für die Bewegung von dünnen Graphemschichten für Herstellungszwecke werden könnte, sollte Graphen in der industriellen und Unterhaltungselektronik, die vielleicht in nicht allzu ferner Zukunft Silizium als Transistormaterial ersetzen wird.

Obwohl die Bandlücke in Graphen nicht so einfach kontrolliert werden kann wie in Silizium, daher die Universalität von Silizium in der Transistor- und Speichertechnologie, arbeiten Forscher an Möglichkeiten, eine stabile Bandlücke in Graphen durch Dotierung und Strukturierung von Verformungen in dünnen Schichten zu erzeugen des Materials. 

Aufgrund der dünnen Natur der Filme sind Roboterpinzetten, die zum Halten von Siliziumwafern verwendet werden, relativ ungeschickte Vorrichtungen zum Halten von dünnen Filmen. Daher könnte der Einsatz von Lasern zum Transport der Folien zumindest auf mit Magneten ausgestatteten Fließbändern ein attraktiver Weg sein, um eine Beschädigung der zerbrechlichen Schaltungen, die auf dem Graphenpapier geätzt sind, zu vermeiden. Auch andere Funktionen, wie zum Beispiel durch Laser geführte reibungsfreie Motoren, können von dieser Technologie aus anwendbar sein.

Natur des Magnetismus

Magnetismus ist das direkte Ergebnis des Elektronenspins, den man sich als einen eindeutigen Richtungspfeil vorstellen kann, der an jedem Teilchen befestigt ist. Wenn alle diese einzelnen Pfeile in magnetischen Materialien in die gleiche Richtung zeigen, erzeugen sie die kumulative Wirkung eines Magnetfelds – zB die Nord-Süd-Ausrichtung von Magneten.

Auf der Nanometerskala, bei milliardstel Metern, kommunizieren Elektronenspins schnell miteinander. Wenn ein Spin im Inneren eines Magneten kippt, kann sich diese Störung als Welle durch das Material ausbreiten und die benachbarten Spins auf seinem Weg kippen.

Diese kohärente Spinwelle, die nach der 1930 von Felix Bloch eingeführten Konvention als Magnon bezeichnet wird, erzeugt theoretisch die magnetischen Transporteigenschaften in Hochtemperatur-Supraleitung. Die thermische Anregung von Magnonen beeinflusst auch die spezifische Wärme und die Sättigungsmagnetisierung des Ferromagnetismus. führt zu der berühmten spezifischen Wärmeformel von Bloch

Im Fall der thermisch angeregten Magnonen gilt die Bose-Einstein-Energieverteilung U für ein Magnon der Frequenz ω :

Dabei wird das Integral über die 1. Brillouin-Zone genommen.

Im Grenzfall niedriger Temperaturen für die Zustandsdichte:

Die resultierende spezifische Wärme der Magnonen ergibt sich dann zu:

Energiespektren von Magnonen in Supraleitern werden beispielsweise durch inelastische Neutronenstreuexperimente bestimmt. Die von Bloch abgeleitete spezifische Wärme von Magnonen trägt auch zur Wärmeleitfähigkeit in bestimmten Materialien, insbesondere Diamanten, bei und hat auch Beiträge zu anderen Kohlenstoffatom-Kristallstrukturen wie Graphen.

Der Fluss von Magnonen ist in hochtemperatursupraleitenden Materialien besonders stark, so stark, dass sie externe Magnetfelder vollständig abweisen, wodurch der Meissner-Effekt erzeugt wird, der den Magneten aus dem Supraleiter verdrängt, wodurch der Magnet nach dem Absenken des Materials über dem Supraleiter schwebt unterhalb einer kritischen Temperatur Tc.

Entwicklungen in der Technologie supraleitender Materialien haben Supraleiter hervorgebracht, die oberhalb des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff in die supraleitende Phase eintreten können, was eine Demonstration des Meissner-Effekts auf dem Tisch ermöglicht.

Wenn die Temperatur des supraleitenden Materials über der kritischen Temperatur liegt, durchdringt das Magnetfeld den Supraleiter ungehindert. Wenn es unter die kritische Temperatur abgesenkt wird, wird das Magnetfeld daran gehindert, in den Supraleiter einzudringen, wodurch der Magnet darüber schwebt.

Diamagnetismus

Diamagnetismus ist definiert durch die Erzeugung einer spontanen Magnetisierung eines Materials, das

Eine diamagnetische Substanz ist eine Substanz, deren Atome kein permanentes magnetisches Dipolmoment haben, daher befinden sich die Spins der äußeren Elektronen in einem inhomogenen Zustand. Wenn sich die Bahnbewegung von Elektronen eines Atoms ändert, führt dies zu Diamagnetismus.

Wenn ein externes Magnetfeld an eine diamagnetische Substanz (wie Wasser, Wismut usw.) angelegt wird, wird ein schwaches magnetisches Dipolmoment in der dem angelegten Feld entgegengesetzten Richtung induziert. Dies ist im Elektromagnetismus als Lenz'sches Gesetz bekannt.

In der Quantenmechanik ist das magnetische Dipolmoment in Richtung des Spindrehimpulses der Elektronen orientiert, daher ändert eine Änderung des magnetischen Dipolmoments, die sie erfahren, die Spinorientierung der Elektronen, um dem Feld in quantisierten Einheiten entgegenzuwirken, dargestellt durch Pfeile, um dem externen Feld im gleichen Verhältnis entgegenzuwirken.

Klassisch können wir sagen, dass Diamagnetismus die Beschleunigung oder Verlangsamung von Elektronen auf ihren Atombahnen ist, und dies resultiert aus der Änderung des magnetischen Moments des Orbitals in einer dem äußeren Feld entgegengesetzten Richtung. Von jeder Interpretation der Physik stoßen diamagnetische Materialien das äußere Magnetfeld ab.

In der folgenden Reihenfolge der diamagnetischen Konstanten sind hier einige bedeutende diamagnetische Elemente aus dem Periodensystem.

• Wismut

• Quecksilber

• Silber

• Kohlenstoff (Graphit, Graphen, Carbon Nanotubes, Fullerene, ect)

• Das Blei

• Kupfer

Alle Materialien sind etwas diamagnetisch, indem in einem Magnetfeld durch den Strom des umlaufenden Elektrons eine schwache Abstoßungskraft erzeugt wird. Dies führt dazu, dass sich die Elektronen nicht gleichmäßig von selbst ausrichten und stattdessen kleine Domänen bilden, in denen nur wenige Elektronen ihre Spins in eine bestimmte Richtung ausgerichtet haben. Diese abstoßende Kraft wird durch die Stärke des äußeren Feldes überwunden. In diesem Fall richten sich alle Elektronen im Material gleichmäßig in Richtung der angelegten Feldlinien aus. Dies wird als Ferromagnetismus bezeichnet.

Andere Materialien haben jedoch stärkere abstoßende Eigenschaften, die ihre natürlichen diamagnetischen Eigenschaften überwinden. Daher bilden sich in diesen Materialien keine Domänen und die Spinrichtungen sind wirklich zufällig. In Gegenwart eines äußeren Feldes versuchen die Elektronen, sich in entgegengesetzte Richtungen zu drehen,

Einige ferromagnetische Elemente

• Eisen

• Nickel

• Kobalt

• Gadolinium

• Dysprosium

Einige paramagnetische Elemente

• Uran

• Platin

• Aluminium

• Natrium

• Sauerstoff

Diamagnetische Levitation tritt auf, indem ein diamagnetisches Material in die Nähe eines Materials gebracht wird, das ein Magnetfeld erzeugt. Das diamagnetische Material wird das Material abstoßen, das das Magnetfeld erzeugt. Im Allgemeinen ist diese abstoßende Kraft jedoch nicht stark genug, um die Schwerkraft auf der Erdoberfläche zu überwinden. Um diamagnetisches Schweben zu bewirken, müssen sowohl das diamagnetische Material als auch das magnetische Material eine kombinierte Abstoßungskraft erzeugen, um die Schwerkraft zu überwinden. Um dies zu erreichen, gibt es mehrere Möglichkeiten:

Einbringen von diamagnetischem Material in starke elektromagnetische FelderModerne Elektromagnete sind in der Lage, extrem starke Magnetfelder zu erzeugen. Diese Elektromagnete wurden verwendet, um viele diamagnetische Materialien, einschließlich schwach diamagnetischer Materialien, wie beispielsweise organisches Material, zum Schweben zu bringen.

Eine beliebte pädagogische Demonstration beinhaltet das Platzieren kleiner Frösche in einem starken statischen elektromagnetischen Feld. Der Frosch, der hauptsächlich aus Wasser besteht, wirkt als schwacher Diamagnet und schwebt

Dieses Verfahren ist für den Frosch völlig ungefährlich, da das Magnetfeld bei weitem nicht stark genug ist, um die chemischen oder elektrischen Prozesse im komplexen organischen Leben zu beeinflussen, wobei Spinnen und Mäuse keine Anzeichen von Krankheit oder Verletzung aufweisen. Mit einem ausreichend großen Elektromagneten könnte im Prinzip sogar ein Mensch schwe

Platzieren von magnetischem Material in starken diamagnetischen Feld

Bei der supraleitenden Magnetschwebebahn wird der Diamagnetismus durch Supraleitung im keramischen Material induziert. Supraleiter im Meissner-Zustand weisen perfekten Diamagnetismus oder Superdiamagnetismus auf, was bedeutet, dass das gesamte Magnetfeld tief in ihnen (viele Eindringtiefen von der Oberfläche) sehr nahe Null ist. Dies bedeutet, dass die magnetische Suszeptibilität eines Supraleiters negativ i

Die grundlegenden Ursprünge des Diamagnetismus in Supraleitern und normalen Materialien sind sehr unterschiedlich. In normalen Materialien entsteht Diamagnetismus als direktes Ergebnis des Bahnspins von Elektronen um die Atomkerne, der durch Anlegen eines angelegten Feldes elektromagnetisch induziert wird. In Supraleitern entsteht der perfekte Diamagnetismus durch anhaltende Abschirmströme, die fließen, um dem angelegten Feld entgegenzuwirken (Meißner-Effekt); nicht nur der Bahnspi

Einbringen von diamagnetischem Material in starke magnetische Feld

Fortschritte in der Entwicklung von Permanentmagneten und diamagnetischen Materialien wie pyrolytischem Graphit haben ein einfaches Verfahren der diamagnetischen Levitation hervorgebracht, indem einfach ein dünnes Stück pyrolytischen Graphits über einen starken Seltenerdmagneten gelegt wird. Der pyrolytische Graphit schwebt über dem Magnete

Platzieren von magnetischem Material in diamagnetischen Feldern mit einem Vormagnetisierungsmag

Die letzte Methode, die vom durchschnittlichen Individuum am leichtesten zu kopieren ist, verwendet eine Kombination aus leicht verfügbaren Seltenerdmagneten und diamagnetischem Material wie Kohlenstoffgraphit oder Wismut. Durch die Verwendung eines Vorspann- oder Kompensationsmagneten kann ein kleiner Seltenerdmagnet über einem Stück diamagnetischen Materials schweben. Für zusätzliche Stabilität wird der kleine Magnet im Allgemeinen zwischen zwei Teilen diamagnetischen Materials platziert. Unten ist ein Diagramm dieser Methode

Alle diese Demonstrationsgeräte waren mehr oder weniger Mainstream bei ihrer Eingliederung in verschiedene Nischenbereiche. Es ist manchmal schwierig zu untersuchen, wie diese Effekte in Technologien mit leicht zu replizierenden Anwendungen manipuliert werden können, da hierfür empfindliche Geräte erforderlich sind und der Nutzen möglicherweise nicht offensichtlich ist. Supraleitung zum Beispiel war, als sie erstmals entdeckt wurde, schwer zu erreichen und als solche außerhalb eines sehr engen Studien- und Anwendungsbereichs schwer zu integrieren. Wir sehen erst heute, wie viel Potenzial das Feld hat und trotzdem ist es nur die Spitze des Eisbergs.

Durch das Studium dieser Effekte und die Verwendung vorhandener Technologie haben wir eine Demonstration aufgebaut, wie ein Teil der Physik hinter diesen stationären Demonstrationen ein dynamisches Gerät schaffen kann, das für einige Anwendungen in der Mikroelektronikmontage und Miniaturrobotik nützlich sein könnte, um nur einige Bereiche zu nennen. Darin kombinieren wir Laser, Magnetismus und Graphen, was es zu einem nützlichen Gerät macht, um Physik auf der Seite eines seltsamen Spielzeugs zu erklären, wenn nichts anderes!

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