자기력이 300년 된 법칙을 깨면서 발견된 접촉 없는 마찰

300년 넘게 Amontons의 법칙은 마찰을 두 표면을 함께 누르는 힘의 양과 직접적으로 연관시켜 왔습니다. 이는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 이동하기 어려운 일상적인 경험과 일치합니다. 일반적인 설명은 압력을 가하면 표면이 약간 변형되어 저항이 증가하는 미세한 접촉점이 더 많이 생성된다는 것입니다.

대부분의 기존 시스템에서 이러한 변형은 미미하며 동작 중에 재료의 내부 구조를 크게 변경하지 않습니다. 그러나 이러한 가정은 움직임이 주요 내부 변화를 유발하는 시스템에서는 유지되지 않을 수 있습니다. 운동이 내부 자기 순서를 재배열할 수 있기 때문에 자성 재료가 주요 예입니다.

비접촉 자기 실험

이러한 가능성을 조사하기 위해 연구진은 두 번째 자기층 위에 위치한 자유롭게 회전하는 자기 요소의 2차원 배열을 사용하여 탁상 실험을 설계했습니다. 두 층이 물리적으로 접촉하지 않더라도 자기적 상호 작용은 여전히 ​​측정 가능한 마찰력을 생성합니다.

연구팀은 층 사이의 거리를 조절해 운동 중 자석 구조가 어떻게 변화하는지 직접 관찰하면서 유효 하중을 제어할 수 있었다.

실험을 수행한 구홍리(Hongri Gu)는 “자성층 사이의 거리를 변경함으로써 회전자가 미끄러지면서 끊임없이 재구성되는 경쟁 상호작용 체제로 시스템을 구동할 수 있었습니다”라고 말했습니다.

자기 충돌은 마찰의 정점을 만듭니다

그 결과 예상치 못한 패턴이 드러났다. 층이 서로 매우 가깝거나 멀리 떨어져 있을 때 마찰이 가장 낮습니다. 그러나 중간 거리에서는 마찰이 급격히 증가합니다.

이 효과는 경쟁적인 자기 선호로 인해 발생합니다. 상부 층은 자기 모멘트를 역평행 구성(평행이지만 반대 방향을 향함)으로 정렬하는 경향이 있는 반면, 하부 층은 평행 배열을 선호합니다. 이러한 상충되는 경향으로 인해 시스템이 불안정한 상태가 됩니다.

층이 이동함에 따라 자석은 이력 현상 방식으로 이러한 호환되지 않는 구성 사이를 반복적으로 전환합니다. 즉, 현재 상태는 과거 기록에 따라 달라집니다. 이러한 지속적인 전환은 에너지 손실을 증가시키고 마찰의 뚜렷한 피크를 생성합니다.

표면 없는 마찰에 대한 새로운 설명

이론적 설명을 개발한 Anton Luders는 “이론적 관점에서 마찰이 물리적 표면 접촉이 아니라 자기 모멘트의 집단 역학에서 발생하기 때문에 이 시스템은 놀랍습니다.”라고 설명합니다.

경쟁하는 자기 상호 작용은 운동 중에 자연스럽게 반복적인 방향 전환을 유도하여 하중에 따라 단순한 선형 방식으로 변하지 않는 마찰력을 발생시킵니다. 예외가 아니라 이 경우 아몬톤의 법칙이 붕괴되는 것은 미끄러지는 동안 자기 순서의 거동에서 직접적으로 발생합니다.

프로젝트를 감독한 Clemens Bechinger는 “놀라운 점은 여기서 마찰이 전적으로 내부 재구성으로 인해 발생한다는 것입니다.”라고 덧붙였습니다. “마모도 없고 표면 거칠기도 없으며 직접적인 접촉도 없습니다. 소실은 집단적인 자기 재배열에 의해서만 생성됩니다.”

비접촉 자기마찰의 미래 응용

기본 물리학은 규모에 의존하지 않기 때문에 이러한 발견은 실험 설정을 훨씬 넘어서 적용될 수 있습니다. 작은 움직임이라도 자기 순서를 바꿀 수 있는 원자적으로 얇은 자성 물질에서도 유사한 효과가 발생할 수 있습니다. 이는 마찰 측정을 사용하여 자성을 연구하고 제어하는 ​​새로운 방법을 제시합니다.

앞으로 이 연구는 물리적인 마모 없이 조정될 수 있는 마찰의 가능성을 제시합니다. 자기 히스테리시스를 사용하면 마찰을 원격 및 가역적으로 조정할 수 있습니다. 이는 마찰 메타물질, 적응형 감쇠 시스템, 비접촉식 제어 구성 요소와 같은 기술로 이어질 수 있습니다.

잠재적인 용도로는 마모로 인해 장치 수명이 제한되는 마이크로 및 나노 전자 기계 시스템뿐만 아니라 자기 베어링, 진동 절연 시스템, 동작과 자성이 밀접하게 연결되는 초박형 자성 재료가 포함됩니다. 보다 광범위하게 자기 마찰은 기계적 측정을 통해 집단 스핀 동작을 연구하는 새로운 방법을 제공하여 마찰학과 자기 분야를 새로운 방식으로 연결합니다.