Pesquisadores da ETH fizeram uma nanopartícula girar em torno de seu próprio eixo um bilhão de vezes por segundo. A partir de tais medições de partículas giratórias, os cientistas esperam obter novos insights sobre o comportamento de materiais sob estresse extremo.

Nada no mundo gira mais rápido do que uma partícula minúscula em um laboratório do Instituto de Fotônica de Zurique. O professor da ETH Lukas Novotny e seus colaboradores conseguiram manipular um minúsculo pedaço de vidro com apenas cem nanômetros de tamanho - mil vezes menor que um fio de cabelo - de forma a fazê-lo girar em torno de seu próprio eixo mais de um bilhão de vezes. segundo. Os cientistas esperam que seus experimentos tragam novos insights sobre a estabilidade do vidro e de outros materiais sob estresse extremo. Os resultados de suas pesquisas foram publicados recentemente na revista científica Cartas de revisão física .

É necessário um esforço técnico considerável para fazer um objeto girar tão rápido. "Para fazer isso, prendemos a partícula de vidro em um aparelho de vácuo usando as chamadas pinças ópticas, "explica René Reimann, um pós-doutorado no laboratório de Novotny. As pinças ópticas são criadas por um feixe de laser fortemente focado, onde a partícula de vidro é levitada por forças da luz no foco do feixe. Isso permite que os cientistas eliminem qualquer contato mecânico direto com o mundo exterior, o que levaria a perdas por atrito. Além disso, a pressão no aparelho é cem milhões de vezes menor do que a pressão normal do ar ao nível do mar. Isso significa que apenas muito raramente as moléculas de ar individuais colidem com a partícula, desacelerando um pouco no processo.

Os pesquisadores agora ajustam a polarização do feixe de laser para ser circular. Isso significa que a direção em que o campo elétrico da luz do laser oscila não é constante, como seria para a polarização linear, mas sim gira continuamente. Essa rotação, por sua vez, é parcialmente assumido pela partícula de vidro quando a luz do laser passa por ele. O torque assim transferido faz com que a nanopartícula gire cada vez mais rápido.

Para medir a frequência de rotação, os cientistas analisam a luz laser da pinça óptica usando um fotodetector. A rotação da partícula de vidro cria uma variação periódica na intensidade da luz que passou pela partícula. A partir desta variação, Novotny e seus colegas calcularam que sua frequência de rotação era superior a um gigahertz (um bilhão de rotações por segundo). "Provavelmente ficou ainda mais rápido, mas com o nosso fotodetector atual, não podemos medir quaisquer frequências mais altas, "Reimann admite. Comprar um detector mais rápido é, Portanto, uma das principais prioridades dos pesquisadores.

Com esse detector, eles esperam ser capazes de medir frequências de rotação de até 40 gigahertz. É provável, Contudo, que a nanopartícula explodirá antes de girar tão rápido. Com que frequência exatamente isso deve acontecer está longe de ser claro, como não há medições confiáveis ​​para esses pequenos objetos. A partir da pesquisa de materiais, sabe-se que as fibras ópticas de vidro com apenas alguns micrômetros de espessura podem suportar enormes tensões de tração (várias vezes maiores do que cabos de aço). No entanto, ninguém sabe exatamente o quão robusta é uma partícula de vidro medindo apenas alguns nanômetros contra as forças centrífugas extremas que surgem nas altas frequências de rotação agora realizadas na ETH. Essas forças centrífugas podem ser até cem bilhões de vezes maiores do que a força gravitacional da Terra. "Isso é aproximadamente igual à força da gravidade na superfície de uma estrela de nêutrons, “Reimann diz para dar uma ideia da ordem de grandeza.

Para nanotecnologia, tais medições são importantes porque as propriedades dos materiais em nanoescala podem diferir drasticamente daquelas de objetos maiores. Isso se deve em parte à extrema pureza das nanopartículas e à virtual ausência de defeitos. Além disso, medições em frequências de rotação similarmente altas dificilmente seriam tecnicamente possíveis usando objetos maiores. O desafio de fazer as nanopartículas girarem cada vez mais rápido, Portanto, também tem alguma relevância prática.

Não são apenas as rotações da partícula de vidro que são extremamente rápidas, Contudo, mas também o progresso neste campo de pesquisa. Como alguns outros grupos estavam trabalhando em experimentos semelhantes, Novotny e seus colaboradores tiveram que se apressar um pouco. "Os dados foram finalmente coletados em apenas duas semanas. Foi um final extenuante, e toda a equipe trabalhou muito em conjunto para fazer isso, "Reimann relembra. No final, os pesquisadores foram recompensados ​​com um novo recorde.