Skräddarsydda magnetfält öppnar för framtidens avancerade teknik

Magnetfält är osynliga men avgörande delar av allt från magnetkameror och partikelacceleratorer till atomklockor och framtida kvantdatorer. Vart och ett av dessa tillämpningsområden kräver magnetfält med specifika egenskaper och former. För att designa olika slags magnetfält behöver forskare och ingenjörer än så länge konstruera särskilt optimerade magneter eller stora system av spolar för varje enskilt användningsområde, vilket är en komplex och resurskrävande process.

Nu har en grupp fysiker vid Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) och Chalmers tekniska högskola utvecklat en metod som gör det möjligt att omvandla magnetfält från en godtycklig källa, exempelvis en spole eller en permanentmagnet, till en bred uppsättning av förutbestämda magnetfält – med exakt matematisk precision.

Resultatet, så kallad magnetisk omnikonvertering, har publicerats i Science Advances och innebär att enkla magnetiska källor kan användas till flera viktiga tillämpningsområden.

– Detta är en allmän metod som lyfter tidigare begränsningar för med vilken noggrannhet som ett magnetiskt fält kan omformas, säger Witlef Wieczorek, professor i kvantteknologi på Chalmers tekniska högskola och en av medförfattarna till studien.

Magnetisk formgivare ger matematisk exakthet

Att skapa magnetfält med en specifik form, till exempel homogena eller kvadrupolära fält, kräver vanligtvis specialkonstruerade magneter eller avancerade system av spolar som noggrant anpassas för sitt specifika ändamål.

– Med en uppsättning av spolar är det möjligt att approximera ett önskat magnetfält till hög noggrannhet, men med magnetisk omnikonvertering blir fältet matematiskt exakt, förklarar Fabian Resare, doktorand i kvantteknologi på Chalmers och medförfattare till studien.

Forskarnas magnetiska omnikonvertering fungerar alltså som en slags "magnetisk formgivare". Genom att kombinera material som antingen leder eller stöter bort magnetfält – ferromagnetiska och supraledande material – kan de styra och omforma ett magnetfält till exakt den form de önskar. När dessa material placeras i en noggrant beräknad geometri formas magnetfältets väg genom rummet. På så vis kan forskarna "omforma" ett magnetfält från en enkel källa till nästan vilket annat magnetfält som helst med hög precision.

Banar väg för ny teknik

För att demonstrera metoden i praktiken byggde forskarna en prototyp för att kunna omvandla ett ojämnt magnetfält från en enkel spole till ett nästan perfekt homogent magnetfält. Konstruktionen, tillverkad i institutionens verkstad av Lars Jönsson, bestod av ett supraledande aluminiumrör och komponenter av gjutjärn. När provet kyldes ner till temperaturer under en kelvin, nära den absoluta nollpunkten, visade mätningarna att magnetfältet inuti provet överensstämde mycket väl med forskarnas beräkningar, ett viktigt experimentellt bevis för konceptet. Forskarna har lämnat in en patentansökan för tekniken och hoppas att metoden ska komma till praktisk användning i samhället och för forskning.

– Vår förhoppning är att vår metod för magnetisk omnikonvertering ska bidra till utvecklingen av avancerade instrument inom kvantteknologi och andra tillämpningsområden, där magnetfält med exakt bestämd form är avgörande, säger Witlef Wieczorek.

Mer info om studien:

Artikeln Magnetic omniconversion: Source-independent molding of magnetostatic fields har publicerats i tidskriften Science Advances.

Studien har gjorts av Jaume Cunill-Subiranas, Natanael Bort-Soldevila, Nuria Del-Valle, Carles Navau, verksamma vid Department of Physics vid Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Spanien, och Witlef Wieczorek och Fabian Resare, verksamma vid avdelningen för kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola.

Finansiering:

Projektet har finansierades av Horizon Europe (EU:s projekt SuperMeQ), Spaniens ministerium för vetenskap, innovation och universitet (PID2023-149054NB-I00), ett AGAUR-FI Joan Oró-stipendium (Generalitat de Catalunya), Europeiska forskningsrådet (ERC) genom projektet SuperQLev, samt Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.