Ein winziger Magnet rotiert frei schwebend in einer supraleitenden Falle und erreicht mehr als 138 Millionen Umdrehungen pro Minute. Das Team nutzt den Meissner-Effekt, um die Kugel ohne mechanische Lagerung zu halten und zugleich ihre Drehung extrem reibungsarm zu messen. Der Aufbau arbeitet mit flüssigem Helium und dient bereits als Drucksensor für ultrakalte Vakuumkammern. Gerade die ungewöhnlich geringe Bremswirkung macht den Rotor für weitere Präzisionsexperimente interessant.
Joel K. Jose, Tao Wang und ihre Kollegen haben dafür eine magnetische Mikrokugel in einer winzigen Bleifalle schweben lassen. Die Arbeitsgruppe verbindet Forschende der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) in Singapur mit der University of Southampton sowie Instituten in Trient und Lettland. Ihre Arbeit erschien in Science Advances. Im Mittelpunkt steht eine einfache, aber anspruchsvolle Idee: Ein Rotor soll sich drehen, ohne eine Achse, ein Lager oder eine andere feste Kontaktfläche zu berühren.
Als rotierendes Teil dient eine Kugel aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Sie ist kleiner als ein Sandkorn und besteht aus einem harten Permanentmagneten, dessen magnetisches Moment die Forschenden gezielt ansteuern können. Ein gewöhnlicher Elektromotor würde für eine solche Kugel kaum Platz bieten, während ein mechanisches Lager bei dieser Größe zusätzliche Reibung und Störungen verursachen würde. Die magnetische Aufhängung löst beide Probleme, indem sie die Kugel in einem stabilen Feld hält und ihre Bewegung berührungslos kontrolliert.
Die Falle besteht aus einem zylindrischen Bleitopf mit schalenförmigem Boden. Flüssiges Helium kühlt den Aufbau so weit, dass Blei supraleitend wird und sein Inneres weitgehend von einem Magnetfeld freihält. Dieser Ausschluss des Magnetfelds ist als Meissner-Effekt bekannt. Für die kleine Magnetkugel entsteht dadurch eine abstoßende Wechselwirkung, die sie über der Oberfläche schweben lässt.
Dieser Magnet wird dabei nicht an einem einzigen Punkt festgehalten wie ein Gegenstand an einer Schnur. Die Form des supraleitenden Topfes und die magnetische Wechselwirkung begrenzen ihre Bewegung in alle drei Raumrichtungen. Die Schwerkraft zieht sie nach unten, während die Meissner-Abstoßung sie von der Bleifläche fernhält. Seitliche Bewegungen werden durch die Geometrie der Falle begrenzt, sodass der Magnet in einem kleinen Bereich stabil bleibt.
Das Prinzip unterscheidet sich von einer optischen Pinzette, die winzige Teilchen mit einem fokussierten Laserstrahl festhält. Hier übernimmt ein Supraleiter die passive Stabilisierung, ohne dass ein ständig nachregelnder Positionsregler die Kugel in der Schwebe halten muss. Das reduziert zusätzliche Störkräfte und macht den Aufbau für Messungen interessant, bei denen selbst winzige Energieverluste eine Rolle spielen. Die Forschenden können die Drehung daher untersuchen, ohne dass eine mechanische Verbindung den Rotor abbremst.
Zum Antrieb und zur Beobachtung nutzen die Forschenden zwei Spulensysteme und einen hochempfindlichen SQUID-Sensor. SQUID steht für supraleitendes Quanteninterferenzgerät und bezeichnet einen Magnetfeldsensor, der extrem kleine Änderungen des magnetischen Flusses registriert. Eine Aufnahmespule koppelt das Signal der rotierenden Kugel an den Sensor, während weitere Spulen ein kontrolliertes Drehmoment erzeugen. Ein elektronischer Rückkopplungskreis wertet das gemessene Signal aus und steuert den Antrieb passend zur aktuellen Drehphase.
Zu Beginn schwingt die Magnetisierung der Kugel noch hin und her, ähnlich einem Pendel, das innerhalb eines begrenzten Winkels ausschlägt. Sobald der Antrieb genügend Energie zuführt, überwindet die Bewegung die magnetische Rückstellwirkung und geht in eine kontinuierliche Rotation über. Danach lässt sich die Drehzahl durch die Phase und Stärke des Rückkopplungssignals weiter erhöhen oder verringern. Die Forschenden können den Rotor so beschleunigen, ohne ihn mit einem Bauteil zu berühren.
Während der freien Rotation zeichnet ein Spektrumanalysator das Sensorsignal auf. Aus der Lage des charakteristischen Frequenzmaximums bestimmen die Forschenden die momentane Rotationsfrequenz. Sinkt die Drehzahl nach Abschalten des Antriebs, lässt sich aus dieser Abklingkurve die Bremswirkung der Umgebung berechnen. Auf diese Weise wird die Drehung selbst zum Messinstrument: Schon wenige Zusammenstöße mit verbliebenen Gasteilchen verändern, wie schnell die Kugel Energie verliert.
Bei der höchsten erreichten Drehzahl bewegt sich die Oberfläche der Kugel mit enormer Umfangsgeschwindigkeit. Für einen so kleinen Körper bedeutet das eine starke mechanische Belastung. Die daraus entstehende Zentripetalbeschleunigung belastet das Material stark, obwohl die Kugel selbst nur wenige Dutzend Mikrometer groß ist. Die Forschenden sehen deshalb nicht nur die Elektronik, sondern auch die Festigkeit des Magnetmaterials als Grenze für weitere Steigerungen.
Eine praktische Grenze setzte im Experiment zunächst die Ausleseelektronik. Oberhalb von ungefähr zwei Megahertz wurde das Signal des SQUID-Systems zunehmend verzerrt, weil die Elektronik die schnellen Änderungen nicht mehr sauber abbildete. Eine schnellere Auslesekette könnte diese technische Grenze verschieben. Langfristig entscheidet jedoch die mechanische Belastbarkeit der Magnetkugel, wann das Material unter der Rotation auseinanderbricht.
Aus früheren Messungen an größeren magnetisch gelagerten Stahlkugeln leiten die Autoren eine grobe Materialgrenze für ihre Mikrokugel ab. Unter der Annahme einer vergleichbaren Bruchspannung schätzen sie, dass die Kugel noch schneller rotieren könnte, bevor das Material versagt. Dieser Wert ist eine theoretische Abschätzung und kein im aktuellen Versuch erreichter Messwert. Die tatsächliche Grenze hängt unter anderem von der Materialqualität, der Kugelgröße und möglichen inneren Defekten ab.
Besonders ungewöhnlich ist, wie langsam die freie Rotation abnimmt, wenn die Forschenden den Antrieb abschalten. Bei sehr niedrigem Restgasdruck messen sie eine Dämpfungsrate von 4,75 × 10⁻⁷ Hertz. Aus dieser Rate ergibt sich eine charakteristische Abklingzeit von ungefähr 24 Tagen. Die Kugel wird also nicht aktiv auf konstanter Drehzahl gehalten, sondern verliert ihre Rotationsenergie in der extrem dünnen Gasumgebung nur sehr langsam.
Für die Druckmessung nutzen die Forschenden den Zusammenhang zwischen Gasdruck und Reibung. In einer stark evakuierten Kammer stoßen einzelne Gasteilchen mit der rotierenden Kugel zusammen und übertragen dabei Drehimpuls. Je mehr Teilchen vorhanden sind, desto stärker wird der Rotor gebremst. Die gemessene Abnahme der Drehfrequenz liefert deshalb einen Hinweis auf den Druck direkt am kalten Messort.
Die Messung ist gerade für Kryostate wichtig, in denen Quantensysteme bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden. Dort können selbst wenige verbliebene Gasmoleküle die empfindlichen Zustände stören, weil Zusammenstöße Energie und Information aus dem System tragen. Ein Drucksensor, der im kalten Inneren arbeitet, kann solche Bedingungen unmittelbarer erfassen als ein Messgerät, das außerhalb der Kühlzone sitzt. Der neue Rotor deckt im Experiment einen breiten Bereich niedriger Drücke ab und ergänzt damit bestehende Vakuummessverfahren.
Ein herkömmliches Spinning-Rotor-Gauge arbeitet ebenfalls mit einer magnetisch gehaltenen Kugel und wertet deren Abbremsung aus. Solche Geräte dienen seit Jahrzehnten als präzise Druckmessgeräte, benötigen aber eine aktive Stabilisierung der Position und arbeiten üblicherweise bei deutlich höheren Temperaturen. Der supraleitende Aufbau verbindet die Messidee mit einer passiven magnetischen Falle. Damit lässt sich die Druckmessung in einen Temperaturbereich verschieben, der für Quantenexperimente besonders relevant ist.
Die lange Rotationsdauer ist mehr als ein Rekordwert für sich. Ein Rotor, der nur sehr langsam abgebremst wird, reagiert empfindlich auf kleine zusätzliche Drehmomente aus seiner Umgebung. Ein schwaches Magnetfeld, eine geringe Kraft oder eine kaum messbare Wechselwirkung kann die Drehfrequenz verändern. Wird diese Änderung präzise genug erfasst, lässt sich aus dem Rotor ein Sensor für Kräfte und Felder entwickeln, die mit konventionellen Messgeräten schwer zugänglich sind.
Jose und Kollegen berechnen aus den gemessenen Verlusten einen außergewöhnlich hohen mechanischen Gütefaktor. Dieser Wert beschreibt, wie wenig Energie ein schwingendes oder rotierendes System pro Zyklus verliert. Er ist kein Wirkungsgrad eines Motors und sagt auch nicht, dass die Kugel Energie erzeugt. Vielmehr kennzeichnet er, wie lange die einmal eingebrachte Bewegung erhalten bleibt, bevor Reibung sie merklich reduziert.
Eine weitere Beobachtung betrifft die Orientierung der Rotationsachse. Während die Kugel rotiert, zeigt das Sensorspektrum neben dem schnellen Hauptsignal eine deutlich langsamere Komponente. Das Team deutet sie als Präzession: Die Rotationsachse bewegt sich ähnlich wie die Achse eines Kreisels, der unter dem Einfluss eines Drehmoments langsam ausweicht. Die Messung passt zu einem Modell, in dem das Magnetfeld des Supraleiters auf die rotierende Kugel einwirkt.
Die geringe thermische Drehmomentstörung eröffnet Perspektiven für Experimente zur Grundlagenphysik. Die Forschenden nennen unter anderem die Suche nach Axionen, hypothetischen Teilchen, die als Kandidaten für Dunkle Materie diskutiert werden. Ein magnetischer Rotor könnte auf äußerst schwache zusätzliche Drehmomente reagieren, die mit solchen Teilchenmodellen verbunden wären. Die aktuelle Arbeit weist keine Axionen nach, sondern beschreibt eine Plattform, mit der sich künftig gezielt nach entsprechenden Signalen suchen ließe.
Auch Magnetfeldsensoren und Gyroskope könnten von der Kombination aus freier Rotation und geringer Dämpfung profitieren. Ein Gyroskop nutzt die Stabilität einer rotierenden Achse, um Drehbewegungen des Trägers zu erfassen. Bei einem Mikrorotor müsste die Auslesung allerdings noch robuster werden, damit Umwelteinflüsse und Restfelder die Messung nicht verfälschen. Die Studie liefert dafür eine physikalische Grundlage, aber noch kein einsatzbereites Navigationsgerät.
Die Autoren diskutieren zudem Messungen winziger Kräfte und mögliche Tests an der Grenze zwischen Quantenphysik und Gravitation. Solche Anwendungen verlangen eine noch geringere Störung durch Wärme und Restgas. Die Arbeit legt nahe, dass eine weitere Abkühlung in Richtung Millikelvin-Bereich die thermischen Drehmomentschwankungen weiter reduzieren könnte. Ob die übrigen Verluste dann ebenfalls klein genug bleiben, muss ein künftiger Versuchsaufbau zeigen.
Forschung an schwebenden Mikroteilchen verfolgt mehrere unterschiedliche Wege. Eine Glaskugel im optischen Resonator wird beispielsweise mit Laserlicht in der Schwebe gehalten und dient dazu, die Verbindung zwischen mechanischer Bewegung und Licht zu untersuchen. Beim Meissner-Rotor übernimmt dagegen ein Supraleiter die magnetische Aufhängung, während die Drehung des Magneten selbst die Messgröße bildet. Beide Ansätze zeigen, wie frei gehaltene Mikrokörper als empfindliche Sensoren für sehr kleine physikalische Effekte dienen können.
Der nächste Entwicklungsschritt liegt nun darin, die Drehzahlmessung über den bisherigen Elektronikbereich hinaus zu verbessern und die Störquellen im Kryostaten weiter zu verringern. Zugleich müssen die Forschenden prüfen, wie sich andere Magnetformen verhalten und ob längliche Rotoren zusätzliche Empfindlichkeit für Drehmomente oder Gravitationswirkungen bieten. Für die konkrete Suche nach Dunkler Materie ist noch ein eigener Messaufbau nötig, der ein vorhergesagtes Signal von gewöhnlichen magnetischen Störungen unterscheiden kann.
Joel K. Jose et al., Ultrafast Meissner-levitated microrotor, Science Advances; doi:10.1126/sciadv.aee6434
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