超越物理定律:“凭空”出现的磁场

磁场,是人类所能掌控的强大力量。磁场的强度会随着离磁体的距离而衰减。在1842年,有一条重要的数学物理定律——Earnshaw定理——指出,磁场最强处必然落于磁体内部。回忆一下高中时候看过的磁感线图示,磁感线越密集,则磁场越强。因为磁感线都是从磁体中延伸出来,弥散在空间里,所以磁体内部磁场最强。

Istituto Italiano Di Tecnologia意大利生物分子纳米技术中心负责这项新研究的物理学家罗莎·马赫·巴特勒(Rosa Mach-Batlle)表示:“如果无法在空旷的空间中获得最大的磁场,则意味着无法远程创建可用磁场,必须在目标位置放置实际的(磁场)源。” 。

不过,马赫-巴特勒和她的同事们认为,他们也许可以绕开这一限制。他们的灵感来自于光学领域——使用被称为超材料的工程材料(具有自然材料都没有的特性)来解决因光波长造成的分辨率限制。同样,他们认为,某种还未制造出来的超磁性材料或许可化不可能为可能。

研究人员预想了一种磁导率为负1的材料。磁导率表明材料在暴露于磁场时会增加或减小磁场的程度。在磁导率为负1的材料中,材料内感应的磁化方向将与初始磁场的方向相反。

当然,依靠还未发明的材料水论文有点过分。但是,即便那种材料压根就不存在,物理学家也可以通过流过特定导线的电流来临时模拟“超材料”的效应。这是因为电流能够感应出磁场,反之亦然——麦克斯韦方程组的理论。

“最后,我们不使用任何材料,而是使用精确控制的电流排列方式,可将其视为活性超材料。” 马赫-巴特勒说。

马赫-巴特勒的团队用21根平行放置的导线:将20根直导线排列成高40厘米、直径8厘米的空心圆柱体,把第21根长导线围在中间。当电流流过所有导线时,就会在空间中形成复杂的磁场,其形状随着单个电流的强度和方向变化。

整体磁场效果等价于某个位置上不存在的导线的磁场。

马赫-巴特勒说:“我们给人一种凭空产生磁场的错觉。”研究人员于10月23日在《物理评论快报》上报告了他们的发现。

当前的方法是否具有实际的应用价值?目前还有疑问。

如果上面的方法适用于任何环境,我们就可以制造出仿佛由肿瘤细胞生成的磁场,引导镶嵌在磁性微粒上的药物分子直接进入肿瘤细胞,实现完全无创和无损的靶向给药。

有个问题是,空心圆柱和一定距离外的场强间存在非常强的磁场区域,可能会干扰某些应用。

生物医药外的可能应用包括从远处消除磁场——在量子计算中可能有用——减少外部场的“噪声”。

另一个用途是改善经颅磁刺激——使用磁体刺激大脑中的神经元来治疗抑郁症。能够远距离控制磁场可以改善经颅磁刺激的针对性,因此医生可以更好地瞄准人脑的特定区域。

研究人员接下来希望建立一种导线配置,远距离创建3D磁场。

原文:https://www.livescience.com/magnetic-fields-created-from-afar.html

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