超越物理定律:「憑空」出現的磁場

2020-11-27 煎蛋

磁場,是人類所能掌控的強大力量。磁場的強度會隨著離磁體的距離而衰減。在1842年,有一條重要的數學物理定律——Earnshaw定理——指出,磁場最強處必然落於磁體內部。回憶一下高中時候看過的磁感線圖示,磁感線越密集,則磁場越強。因為磁感線都是從磁體中延伸出來,彌散在空間裡,所以磁體內部磁場最強。

Istituto Italiano Di Tecnologia義大利生物分子納米技術中心負責這項新研究的物理學家羅莎·馬赫·巴特勒(Rosa Mach-Batlle)表示:「如果無法在空曠的空間中獲得最大的磁場,則意味著無法遠程創建可用磁場,必須在目標位置放置實際的(磁場)源。」 。

不過,馬赫-巴特勒和她的同事們認為,他們也許可以繞開這一限制。他們的靈感來自於光學領域——使用被稱為超材料的工程材料(具有自然材料都沒有的特性)來解決因光波長造成的解析度限制。同樣,他們認為,某種還未製造出來的超磁性材料或許可化不可能為可能。

研究人員預想了一種磁導率為負1的材料。磁導率表明材料在暴露於磁場時會增加或減小磁場的程度。在磁導率為負1的材料中,材料內感應的磁化方向將與初始磁場的方向相反。

當然,依靠還未發明的材料水論文有點過分。但是,即便那種材料壓根就不存在,物理學家也可以通過流過特定導線的電流來臨時模擬「超材料」的效應。這是因為電流能夠感應出磁場,反之亦然——麥克斯韋方程組的理論。

「最後,我們不使用任何材料,而是使用精確控制的電流排列方式,可將其視為活性超材料。」 馬赫-巴特勒說。

馬赫-巴特勒的團隊用21根平行放置的導線:將20根直導線排列成高40釐米、直徑8釐米的空心圓柱體,把第21根長導線圍在中間。當電流流過所有導線時,就會在空間中形成複雜的磁場,其形狀隨著單個電流的強度和方向變化。

整體磁場效果等價於某個位置上不存在的導線的磁場。

馬赫-巴特勒說:「我們給人一種憑空產生磁場的錯覺。」研究人員於10月23日在《物理評論快報》上報告了他們的發現。

當前的方法是否具有實際的應用價值?目前還有疑問。

如果上面的方法適用於任何環境,我們就可以製造出仿佛由腫瘤細胞生成的磁場,引導鑲嵌在磁性微粒上的藥物分子直接進入腫瘤細胞,實現完全無創和無損的靶向給藥。

有個問題是,空心圓柱和一定距離外的場強間存在非常強的磁場區域,可能會干擾某些應用。

生物醫藥外的可能應用包括從遠處消除磁場——在量子計算中可能有用——減少外部場的「噪聲」。

另一個用途是改善經顱磁刺激——使用磁體刺激大腦中的神經元來治療抑鬱症。能夠遠距離控制磁場可以改善經顱磁刺激的針對性,因此醫生可以更好地瞄準人腦的特定區域。

研究人員接下來希望建立一種導線配置,遠距離創建3D磁場。

參考來源:https://www.livescience.com/magnetic-fields-created-from-afar.html

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