Co viděl nemocný Huygens?

Podobizna Christiana Huygense

Slavný holandský astronom Huygens (objevil měsíc Saturnu Titan a byla po něm pojmenována sonda, která na něm loni přistála) byl v roce 1665 nemocný a nudil se ležící na posteli. Naproti němu byla skříň na kolečkách se dvěmi kyvadlovými hodinami. Churavý astronom měl příležitost dlouhodobě vychutnávat jejich klapot. Všimnul si, že jakkoliv byly hodiny po natažení rozladěny - jejich kyvadla byla v různých fázích - po nějaké době se synchronizovala. Tedy když bylo jedno kyvadlo vpravo, druhé bylo vlevo a naopak. Bohužel Huygens neznal v té době ani klasickou mechaniku, kterou formuloval Newton až o dvacet let později, takže svůj zážitek hlouběji matematicky nepopsal, ale napsal o tom svému otci, a tak se stal prvním člověkem, který oficiálně tento jev zaznamenal.

Zvětšit obrázek

Moderní obdoba páru kyvadlových hodin sledovaných Hugensem (Credit: Georgia Institute of Technology)

Jelikož synchronizace oscilátorů, za které můžeme považovat i kyvadlové hodiny, je jevem důležitým v mnoha oborech jak mechaniky, tak elektrotechniky a dokonce i kvantové fyziky, vědci v menším měřítku zreprodukovali dva páry kyvadlových hodin na "skříni s kolečky" a doufali, že objeví nějakou zajímavou mechanickou analogii mezi synchronizací mechanických hodin a elektronických zařízení. Dvě kyvadla poháněná nataženou pružinou umístili na dřevěnou konstrukci, která byla pohyblivě uložena na kolejničkách. A samozřejmě vědci se nespokojili s měřením synchronizace kyvů pouhým poslechem strojků, ale každý pohyb kyvadla pečlivě měřili laserem. Zjistili totéž co Huygens, ale i něco navíc.
 

Kyvadla se vědcům stejně jako Huygensovi synchronizovala do protifáze. Když na konstrukci přidali závaží, synchronizace trvala déle, když odlehčili, tak kratší dobu. Byli překvapeni, že po úplném odlehčení jejich konstrukce se místo synchronizace zastavila. Astronomovi se nic takového nepodařilo pravděpodobně proto, že jeho skříň byla příliš těžká.

 

Jak synchronizace funguje

Kyvadlo z moderního pokusu (Credit: Georgia Institute of Technology)

Záleží na mnoha okolnostech. U klasického pokusu se dvěma kyvadly se soustava těles snaží dosáhnout stabilního stavu, kdy se "skříň" nehýbe a kývou se pouze kyvadla. Přechodový stav je charakterizován tím, že valivý odpor mezi kolečky "skříně" a kolejničkami odebírá kyvadlům energii takovým způsobem, že se dostanou do protifáze a "skříň" do klidu. když je "skříň" příliš lehká, má malou setrvačnost a kyvadla s ní snadno pohybují. V experimentu se vědcům někdy zastavila obě kyvadla, někdy jen jedno. Od určitého poměru mezi hmotností kyvadel a "skříně" neexistuje stabilní stav, do kterého by se soustava dostala. (Kdyby v soustavě nebylo vůbec žádné tření, kyvadla by se nikdy nesynchronizovala a soustava by stále vykonávala nepravidelný, i když poměrně snadno definovatelný, pohyb.)
 

Vědci se již nezmínili o tom, zda-li nějaké průkazné analogie mezi 300 let starým experimentem a moderní elektrotechnikou našli, ale podle obrázků se zdá, že si studenti alespoň pěkně pohráli.

 

Synchronizované nanomagnety
V moderní době se věda až tak nezabývá synchronizací kyvadel hodin, jako synchronizací elektrických oscilátorů. Do určité míry však lze použít mechanicko analogii. Jako kyvadélka slouží elektrony a gravitační působení nahrazuje elektrické pole.
 

Jak jsem již naznačil v úvodu, vědci zkoumali nanomagnety, které si vyrobili tak, že na nemagnetickou desku nanesli z obou stran magnetické vrstvy různé tloušťky. Část těchto vrstev odstranili fotolitografií (obdobně jak probíhá výroba plošných spojů v elektrotechnice) tak, že jim vznikly dva kruhové nanomagnety o průměru 100 nanometrů. Detailní popis jsem nenalezl, ale domnívám se, že půjde o dvakrát dva magnetické válečky nad sebou. Na takto vzniklé zařízení připojili stejnosměrný elektrický proud. Z magnetických vrstev se začaly šířit spinové vlny, které měnily polarizaci nanomagnetů s frekvencí několika gigahertzů a při tom generovaly záření o stejné frekvenci. (Spin elektronů je zodpovědný za magnetické vlastnosti materiálů - feromagnetické materiály mají právě dobrou schopnost šířit orientaci spinu, a tak zesilovat magnetické pole.)
 

Zvětšit obrázek

Simulace šíření spinových vln od nanomagnetů vysílajících elektromagnetické záření (Credit: NIST)

Podobnost s 300 let starým pokusem Hugense se projevila tak, že když dva nanomagnety byly u sebe v blízkosti 200 nm (respektive 500 nm podle toho, jak konkrétně byly magnety vyrobeny), synchronizovaly se do jednotné fáze obdobně jako hodiny v astronomově ložnici. Na rozdíl od nich nebyly v protifázi, protože pak by došlo k úplné destruktivní interferenci a nic by se nevysílalo, ale vznikala úplná konstruktivní interference, takže nanomagnety vysílali signál na stejné frekvenci dvakrát intenzivnější (dvojnásobná amplituda) než jednotlivý nanomagnet. Vědci se domnívají, že nebude problém synchronizovat více nanomagnetů a dosáhnout tak dostatečného vysílacího výkonu. Obdobně jako se na pohyblivé skříni synchronizuje libovolný počet kyvadlových hodin. Jeden nanomagnetový oscilátor vysílá s výkonem 10 nanowattů, pro výkon v jednotkách wattů by jich bylo potřeba mnoho, ale vzhledem k jejich malým rozměrům a snadnosti výroby to není problém. Pro praktickou aplikaci je nutné, aby vysílací frekvenci bylo možné snadno regulovat. To je možné pomocí změny velikosti proudu a nebo aplikací vnějšího magnetického pole.

 

Komunikace ve vesmíru vysokou rychlostí s nízkými energetickými nároky
Záření produkované nanomagnety mělo výrazně směrový charakter. Navíc jeho frekvence v oblasti GHz je v současnosti téměř výhradně používána pro komunikaci mezi kosmickými sondami a zemí (pásmo X 7 až 8,5 GHz). Směrový charakter záření je velmi výhodný, protože sondy by nemusely s sebou vozit objemné antény s vysokým ziskem, ale vystačily by si s nějakou destičkou osázenou nanomagnety. Vědci v současnosti sami nevědí, jaké by byly vysílací charakteristiky takové antény. To bude muset ukázat až praktická zkouška, nikoliv experiment pouze prokazující tyto schopnosti nanomagnetů.

Astronom Huygens by se jistě divil, kdyby věděl, kam jsme se dostali od jeho pozorování hodin z postele. Obdobné jevy synchronizace oscilátorů mají vliv na konstrukci téměř všech pohyblivých zařízení upevněných na rámu, který není dokonale pevný. Ale jistě by měl největší radost, kdyby sonda, která příště přistane na Titanu vysílala na Zem anténou, k jejímuž vzniku tak trochu sám přispěl.

Další informace
Nanomagnets come together (15. 9. 2005) - Článek o synchronizaci nanomagnetů

Researchers recreate 1665 clock experiment (8. 9. 2000) - Popis experimentu opakují Huygensovy postelové zážitky

Komunikace Mars – Země - Informace o tom, jakými rychlostmi a na jakých frekvencích probíha komunikace sond u Marsu a Zemí

Christiaan Huygens - Životopis holandského astronoma
 

Autor píše weblog o vědě a technice Techblog.