Verdens hurtigste rotation

Forskere ved ETH har fået en nanopartikel til at dreje rundt om sin egen akse en milliard gange i sekundet. Ud fra sådanne målinger af roterende partikler, forskerne håber at få ny indsigt i materialers adfærd under ekstrem stress.

Intet i verden roterer hurtigere end en lille partikel i et laboratorium på Institute for Photonics i Zürich. ETH-professor Lukas Novotny og hans samarbejdspartnere er lykkedes med at manipulere et lille stykke glas kun hundrede nanometer i størrelse - tusind gange mindre end et hår - på en sådan måde, at det får det til at dreje rundt om sin egen akse mere end en milliard gange en sekund. Forskerne håber, at deres eksperimenter vil give ny indsigt i stabiliteten af ​​glas og andre materialer under ekstrem stress. Resultaterne af deres forskning blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Det kræver en betydelig teknisk indsats at få et objekt til at rotere så hurtigt. "For at gøre det, vi fanger glaspartiklen i et vakuumapparat ved hjælp af en såkaldt optisk pincet, " forklarer René Reimann, en post-doc i Novotnys laboratorium. Optisk pincet er skabt af en stærkt fokuseret laserstråle, hvor glaspartiklen svæves af lyskræfter i strålens fokus. Dette gør det muligt for forskerne at eliminere enhver direkte mekanisk kontakt med omverdenen, hvilket ville føre til friktionstab. I øvrigt, trykket i apparatet er hundrede millioner gange lavere end det normale lufttryk ved havoverfladen. Det betyder, at kun meget sjældent enkelt luftmolekyler kolliderer med partiklen, bremser det lidt i processen.

Forskerne justerer nu laserstrålens polarisering til at være cirkulær. Det betyder, at den retning, som laserlysets elektriske felt svinger i, ikke er konstant, som det ville være for lineær polarisering, men derimod roterer kontinuerligt. Den rotation, på tur, overtages delvist af glaspartiklen, når laserlyset passerer igennem den. Det således overførte drejningsmoment får nanopartiklerne til at dreje hurtigere og hurtigere.

For at måle rotationsfrekvensen, forskerne analyserer laserlyset fra den optiske pincet ved hjælp af en fotodetektor. Glaspartiklens rotation skaber en periodisk variation i intensiteten af ​​det lys, der har passeret gennem partiklen. Fra denne variation, Novotny og hans kolleger beregnede, at dens rotationsfrekvens var højere end en gigahertz (en milliard rotationer pr. sekund). "Det drejede nok endnu hurtigere, men med vores nuværende fotodetektor kan vi ikke måle højere frekvenser, " Indrømmer Reimann. At købe en hurtigere detektor er, derfor, en af ​​forskernes topprioriteter.

Med den detektor, de håber at kunne måle rotationsfrekvenser op til 40 gigahertz. Det er sandsynligt, imidlertid, at nanopartiklerne vil eksplodere, før den drejer så hurtigt. Med hvilken hyppighed det præcist skal ske, er langt fra klart, da der ikke er pålidelige mål for så små genstande. Fra materialeforskning er det kendt, at optiske glasfibre, der kun er få mikrometer tykke, kan modstå enorme trækspændinger (flere gange større end stålkabler). Alligevel, ingen ved præcis, hvor robust en glaspartikel, der kun måler nogle få nanometer, er over for de ekstreme centrifugalkræfter, der opstår ved de høje rotationsfrekvenser, der nu er realiseret på ETH. Disse centrifugalkræfter kan være op til hundrede milliarder gange større end jordens tyngdekraft. "Det er nogenlunde lig med tyngdekraften på overfladen af ​​en neutronstjerne, " siger Reimann for at give en idé om størrelsesordenen.

For nanoteknologi, sådanne målinger er vigtige, fordi egenskaberne af materialer på nanoskala kan afvige drastisk fra dem for større objekter. Det skyldes til dels den ekstreme renhed af nanopartikler og det praktiske fravær af defekter. I øvrigt, målinger ved tilsvarende høje rotationsfrekvenser ville næppe være teknisk mulige ved brug af større objekter. Udfordringen med at få nanopartikler til at rotere stadig hurtigere, derfor, har også en vis praktisk relevans.

Det er ikke kun glaspartiklens rotationer, der er ekstremt hurtige, imidlertid, men også fremskridtene på dette forskningsfelt. Da et par andre grupper arbejdede på lignende eksperimenter, Novotny og hans samarbejdspartnere måtte skynde sig ret meget. "Dataene blev endelig taget på kun to uger. Det var en anstrengende afslutning, og hele teamet arbejdede meget hårdt sammen for at få det gjort, " husker Reimann. Til sidst, forskerne blev belønnet med en ny rekord.