1.5グラムを超える大型質量を持つ、非常に安定した反磁性浮上機械共振子

計測に使える浮遊する物体

切手ほどの大きさの固体物体が、回転したり外部からの力で崩れたりすることなく、電力を使わずに空中で安定して浮かんでいると想像してください。さらに、その浮遊体を非常に安定した「物差し」として使い、運動、加速度、あるいは微小な磁場さえ測れると考えてください。本稿は、巧妙な磁場設計と特殊なグラファイト系材料を用いて、重くコインサイズの板を安定に浮上させ、きわめて精密に振動させるシステムを研究者がどのように構築したかを説明します。

なぜ技術者は物体を浮かせたがるのか

スマートフォンの加速度計から航空機や宇宙船の航法システムまで、現代のセンサーはしばしば機械共振子と呼ばれる小さな振動構造に依存します。外力を受けるとこれらの構造の共振周波数がわずかに変化し、その変化を電子回路が読み取ります。しかし問題は、これらの共振子が通常フレームに取り付けられているため、支持部を通じてエネルギーが漏れ、振動が曖昧になり感度が低下することです。この損失を回避する一つの方法は支持を取り除き、共振子を「浮かせる」すなわちほとんど接触しないようにすることです。光や音、超伝導を使うなど既存の浮上法はいくつかありますが、強力なレーザーや低温環境を必要としたり、非常に小さな物体にしか適用できないことが多いのが現状です。

磁石の上に重い板を浮かせる

研究チームは反磁性浮上に注目しました。これは特定の材料が磁場によって穏やかに押し戻される現象です。彼らは微粒子状のグラファイトと絶縁性のエポキシ接着剤の混合物から平板を作り、それをチェッカーボード状に配列した永久磁石の上に置きました。適切な磁場パターンでは、板は重力を相殺する上向きの力を受け、乱されたときに元の位置へ戻す横方向の力も働きます。数値シミュレーションと実験により、板は約50〜100マイクロメートル、つまり人間の髪の毛の厚さ程度の高さで浮くことが示され、重要な点として浮上高さは板の面積や質量が増えてもほとんど変化しませんでした。この手法により、研究者たちは従来の反磁性装置よりはるかに重い、1.5グラムを超える完全浮上した板を実現しました。

特殊な浮遊材料の作製

これらの浮遊板を作るために、研究者たちは高純度のグラファイト粉末を市販のエポキシと少量のアルコールで希釈した混合物に混ぜました。混合物を遠心分離して粒子を均一に広げ、金型に流し込み、アルコールを蒸発させてオーブンで硬化させます。硬化した塊を所望の厚さに研磨した後、精密な位置計測のために小さな鏡を上面に接着しました。重要な工夫は、グラファイト粒子が絶縁性のエポキシによって分断されている点です。グラファイトは反磁性であると同時に電気伝導性を持ち、変化する磁場中では渦電流が生じてエネルギーが熱として失われます。エポキシで連続する導電経路を断つことで、板は浮上能力を維持しつつこれらのエネルギー損失を大幅に抑制できます。

微小な運動と振動の計測

板が共振子としてどれだけ良く振る舞うかを調べるために、チームは光干渉計を使用しました：低出力の赤色レーザーを小さな鏡に集光し、反射光を検出器で拾います。真空チャンバー内で板を自然な共振周波数（約20ヘルツ、ゆっくりした揺れに相当）付近で穏やかに駆動し、その後駆動を止めて運動が消えるまでの時間を観察しました。ゆっくりとした減衰からは非常に高い「品質係数（Q）」が明らかになり、最大で32,000に達しました。これは振動エネルギーが多くの周期にわたって保持されることを意味します。駆動しない自然な運動の測定では、板はほとんどドリフトせず、残留速度はおおむね1マイクロメートル毎秒以下でした。振動周波数を連続的に追跡するフィードバックループを用いると、周波数は数分にわたって0.001ヘルツ未満の安定性を示し、非常に良好な時基と同等の安定性に迫ることが確認されました。

浮遊板から将来のセンサーへ

単に浮くことにとどまらず、これらの板は周囲をセンシングすることができます。小さな追加磁石を近づけると共振周波数がわずかに変化し、装置を標準的なホールセンサーと同等の究極的な磁気感度を持つ磁力計として動作させることができます。大きな質量、低損失、高安定性の組み合わせにより、熱雑音限界での加速度感度は帯域幅の平方根あたり地球重力の約2.4×10⁻¹¹に達し、これらの浮遊板は次世代の慣性センサーの有望な候補となります。平たく言えば、本研究は慎重に設計された磁気浮上型グラファイト・エポキシ板がアンカーなしで安定に浮かび、極めて小さな力に反応し、複雑な支持系なしで室温で動作できることを示し、より感度の高い堅牢な計測器への道を開きます。

引用: Roy, P., Yasmin, S., Wang, Y. et al. Highly stable diamagnetically levitated mechanical resonators with large masses exceeding 1.5 gram. Microsyst Nanoeng 12, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-025-01122-y

キーワード: 反磁性浮上, 機械共振子, 慣性センサー, グラファイト複合材料, 精密センシング