具有大于1.5克质量的高度稳定抗磁悬浮机械谐振器

可用于测量的悬浮物体

想象一个邮票大小的固体物体稳稳地悬浮在半空中，不会自转飘走，也不需要任何电力维持。再想象把这个漂浮物当作超稳定的尺子来测量运动、加速度，甚至极弱的磁场。本文介绍的研究正是构建了这样一个系统：通过巧妙的磁体设计和一种特殊的石墨基材料，使得沉重的硬币大小薄片稳定悬浮并以极高精度振动。

工程师为何希望让物体悬浮

从智能手机的加速度计到飞机与航天器的导航系统，现代传感器常依赖微小的振动结构——机械谐振器。结构受到力时，其振动频率会发生微小变化，电子设备读取这一变化来测量物理量。问题在于，这些谐振器通常固定在支架上，能量会通过支撑泄漏出去，使振动变钝并降低灵敏度。一种解决办法是去掉支撑，让谐振器“漂浮”或悬浮，几乎不接触其他结构。已有多种悬浮方式——利用光、声或超导体——但它们常需要强激光、低温装置或仅适用于非常小的物体。

使厚重薄片在磁体上方悬浮

研究团队聚焦于抗磁悬浮：某些材料在磁场中会被轻推离开。他们用高纯度石墨微粒与绝缘环氧胶混合制成平板，然后将其置于棋盘格排列的永磁体上方。在合适的磁场格局下，薄片受到向上的推力以平衡重力，同时存在侧向恢复力，在扰动时将其推回原位。计算机模拟与实验显示，薄片的悬浮高度大约为50到100微米——相当于一根人发的厚度——且重要的是，随着薄片面积和质量增加，这一悬浮高度几乎不变。利用这种方法，研究人员成功完全悬浮了质量超过1.5克的薄片，远超以往抗磁装置的承载能力。

制造这种特殊的悬浮材料

为了制备这些悬浮薄片，研究人员将高纯度石墨粉与商用环氧树脂和少量酒精混合以稀释配方。他们用离心的方法让颗粒均匀分布，把混合物倒入模具，待酒精蒸发后在烘箱中固化。固化后将块体打磨到所需厚度，并在顶部粘贴一块小镜子，以便用激光束反射进行精确位置测量。关键在于石墨颗粒被绝缘环氧分隔开。石墨既具抗磁性又导电，在变化的磁场中会产生耗能的涡流。通过环氧打断连续的石墨导电路径，薄片既保留了悬浮能力，又大幅抑制了这些损耗能量的涡流。

测量极小的位移与振动

为评估薄片作为谐振器的表现，团队使用了光学干涉仪：一束低功率红色激光聚焦到小镜子上，反射光由探测器接收。置于真空腔内，他们在接近薄片固有振动频率（约20赫兹，类似缓慢晃动的速度）时温和驱动，然后停止驱动以观察运动衰减所需的时间。缓慢的衰减表明了非常高的“品质因数”，最高达32,000，意味着振动在许多周期内保留能量。对未驱动的运动测量显示薄片几乎不漂移，残余速度约为每秒一微米或更低。通过一个持续跟踪振动频率的反馈回路，研究人员还发现频率在多分钟内的稳定性优于千分之一赫兹——与非常好的时间参考相当。

从悬浮薄片走向未来传感器

除了简单的悬浮，这些薄片还能感知周围环境。将一个小磁体靠近会稍微改变谐振频率，使该器件可作为磁力计，其极限磁灵敏度可与常规霍尔传感器相媲美。得益于大质量、低能量损耗和高稳定性的组合，在热噪声限制下的加速度灵敏度达到约2.4 × 10⁻¹¹倍地球重力对每根号带宽，这使得这些悬浮薄片成为下一代惯性传感器的有力候选。简而言之，该工作表明，经过精心设计的磁悬浮石墨-环氧薄片可以无固定支撑稳定悬浮、对极小的力有响应，并在室温下工作而无需复杂的辅助系统，为更灵敏、更稳健的测量设备开辟了道路。

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

关键词: 抗磁悬浮, 机械谐振器, 惯性传感器, 石墨复合材料, 精密传感