激光操縱磁懸浮石墨烯首次實現

據物理學家組織網12月27日報道，最近，日本青山學院大學在一項研究中，首次實現了用激光操縱磁懸浮石墨烯運動，通過改變石墨烯的溫度，能改變它的懸浮高度，控制運動方向并讓它旋轉，而且演示了陽光也能讓石墨烯旋轉。這一成果對研究光驅動人類運輸工具有重要意義，并有望帶來一種新型光能轉換系統(tǒng)。相關論文發(fā)表在最近出版的《美國化學協(xié)會期刊》上。

    磁懸浮已證明對從火車到青蛙各種物體都有效，但至今還沒有一款磁懸浮的制動器，將外部能量轉化為動能。研究人員解釋說，產生磁懸浮是由于物體具有反磁性，會排斥磁場。所有物質都有不同程度的反磁性，通常情況下反磁性很弱，無法讓物體浮起來。只有當物體反磁性的強度超過其順磁性（被磁場吸引），合磁力為斥力且斥力大于重力時，才可能浮起。而石墨烯就是反磁性最強的材料之一。

    反磁物體的懸浮高度取決于外加磁場和材料本身的反磁性，懸浮位置則可通過改變外加磁場來事先控制。迄今為止，用外部刺激如溫度、光、聲音等因素改變材料反磁性，從而控制磁懸浮物體的運動，還沒人能做到。

    “該研究最重要的一點是實現了實時運動控制技術，首次無需接觸而推動一個懸浮著的反磁物體。”論文合著者、青山學院大學教授安倍次郎（音譯）介紹說，“由于該技術簡單而且基本，預計它能用于日常生活的許多領域，比如運輸系統(tǒng)、娛樂活動、光照制動器以及光能轉換系統(tǒng)等。”

    實驗中，研究人員演示了用激光控制溫度，使一小片磁盤狀的石墨烯懸浮在一塊釹鐵硼（NdFeB）永磁鐵的上方。石墨烯的懸空高度會隨著溫度升高而下降，反之亦然。研究人員解釋說，改變溫度會改變石墨烯的磁化率，或它被外加磁場磁化的程度。在原子尺度，是激光的光熱效應增加了石墨烯中熱激電子的數量，熱激電子越多，石墨烯的反磁性就越弱，從而懸浮的高度就越低。

    把激光瞄準石墨烯盤片中心可以控制高度，瞄準邊緣能讓它運動和旋轉。因為改變溫度分布會改變磁化率分布，使石墨烯在磁場中受到的斥力不均衡，從而沿著與光束運動相同的方向運動。他們設計的旋轉裝置放在陽光下也會旋轉，轉速超過200轉/分鐘。這對開發(fā)光驅動渦輪非常有用。

    研究人員預測，放大這種激光控制磁懸浮運動的能力，有望推動磁懸浮制動器、光熱太陽能轉換系統(tǒng)的發(fā)展，還可用于低成本的環(huán)保發(fā)電系統(tǒng)、新型光驅運輸系統(tǒng)等領域。

    安倍說：“目前，我們正計劃開發(fā)一種適合該系統(tǒng)的磁懸浮渦輪葉片。其中可能會有摩擦力破壞旋轉，因此我們想用一種與MEMS（微機電系統(tǒng)）有關的技術，開發(fā)出高效的光能轉換系統(tǒng)。在制動器方面，磁懸浮石墨烯能運輸近乎它本身重量的任何物體。如果能成功放大這一系統(tǒng)的話，用來開發(fā)個人交通工具就不是夢。”