物理學家把不可能變為可能:遠程製造和取消磁場

2020-12-03 新浪科技

來源:新浪科技

新浪科技訊 北京時間11月27日消息,據國外媒體報導,科學家們已經找到一種從遠處製造和取消磁場的方法:讓電流通過一個特殊的電線裝置,可以產生一個磁場源,像是來自其他地方的磁場。

這種錯覺有它的實際應用:磁性納米粒子製成的膠囊包裹著抗癌藥物,直接將藥物送達人體內深處的腫瘤部位。在腫瘤部位放置一塊磁鐵來引導納米顆粒的前進路線,這幾乎是不可能的。但是我們如果可以在人體外,以腫瘤為中心創造一個磁場,那麼我們就可以跳過侵入性過程直接給藥。

首先,磁場的強度隨著與磁體的距離增加而減弱。其次,1842年證明的恩紹定理認為,在空無一物的空間裡不可能產生最大磁場強度。

「如果你不能在空無一物的空間裡產生最大磁場,那麼這也意味著除非目標位置有實際的磁場源,否則你就無法遠程創造磁場,」負責這項新研究的羅莎·馬赫-巴特勒說。巴特勒目前是義大利生物分子納米技術中心的一名物理學家。

但是,馬特-巴特勒和她的同事們認為,他們或許可以解決這個問題。在一項光學研究中,研究人員使用一種被稱為「超材料」(具備天然材料所不具備的性質)的工程材料,來突破光波帶來的解析度限制。受這項光學研究的啟發,馬特-巴特勒和同事們猜想,假設的磁性材料或許也可以讓磁場中的不可能變為可能。

他們預想了一種磁導率為負1的材料。材料的磁導率表示該材料在磁場中增加或減弱磁場的能力。當材料的磁導率為負1時,材料內感應的磁化方向將與初始磁場的方向恰好相反。

當然,依靠一種並不存在的材料來感應磁場,這種新方法並不是特別有用。但是即便不存在這種磁導率為負的假想材料,物理學家依然可以創造出一種臨時「材料」:使電流通過一組精心設計的電線。因為電流可以產生磁場,反之亦然,這是麥克斯韋電磁方程組的結果。

「最終,我們沒有使用任何材料,而是使用一組精心設計的電流,可以將其視為活性超材料。」馬赫-巴特勒說。

為了實現遠程製造磁場,馬赫-巴特勒和她的團隊設計了一個中空的圓柱體,圓柱由20根電線圍繞一根長長的內部電線構成。電流通過這些電線時,會產生一個磁場,看起來仿佛那根長長的內部電線位於設備之外似的。事實上,磁場源並非在設備外部,但磁場本身和外部磁場源產生的磁場真假難分。

「我們製造了這種假象,讓磁場源看起來像是在遠處。」馬赫-巴特勒說。

但是這個方法在現實世界中的應用價值仍不明朗。這個系統的一個怪異之處是,筒狀電線和遠處磁場之間存在一片磁場非常強的區域。馬赫-巴特勒說,這個區域會干擾研究中的部分應用,但這是否成問題可能取決於研究人員對磁場的應用。

除了給藥之外,這個新方法的潛在應用還包括遠程取消磁場。在量子計算領域,這個技術有助於消除外部磁場產生的「噪音」,這些噪音會干擾實驗測量。另一個應用或許是改善經顱磁刺激。經顱磁刺激使用磁體刺激大腦中的神經元來治療抑鬱症。遠程控制磁場可以改善經顱磁刺激的精確性,因此醫生可以更準確地觀察人腦的特定區域。

研究人員接下來希望設計一種電線裝置,以便遠程產生3D磁場。(勻琳)

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