I ricercatori dell'ETH hanno fatto ruotare una nanoparticella attorno al proprio asse un miliardo di volte al secondo. Da tali misurazioni di particelle rotanti, gli scienziati sperano di ottenere nuove informazioni sul comportamento dei materiali sottoposti a stress estremo.

Niente al mondo ruota più velocemente di una minuscola particella in un laboratorio dell'Istituto di fotonica di Zurigo. Lì, Il professore dell'ETH Lukas Novotny e i suoi collaboratori sono riusciti a manipolare un minuscolo pezzo di vetro di appena cento nanometri – mille volte più piccolo di un capello – in modo tale da farlo girare intorno al proprio asse più di un miliardo di volte al secondo. Gli scienziati sperano che i loro esperimenti forniranno nuove informazioni sulla stabilità del vetro e di altri materiali in condizioni di stress estremo. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Ci vuole un notevole sforzo tecnico per far ruotare un oggetto così velocemente. "Fare così, intrappoliamo la particella di vetro in un apparato sottovuoto usando le cosiddette pinzette ottiche, " spiega René Reimann, un post-doc nel laboratorio di Novotny. Le pinzette ottiche sono create da un raggio laser fortemente focalizzato, dove la particella di vetro è levitata da forze luminose al fuoco del raggio. Ciò consente agli scienziati di eliminare ogni contatto meccanico diretto con il mondo esterno, che porterebbe a perdite per attrito. Inoltre, la pressione nell'apparato è cento milioni di volte inferiore alla normale pressione dell'aria a livello del mare. Ciò significa che solo molto raramente singole molecole d'aria entrano in collisione con la particella, rallentandolo leggermente nel processo.

I ricercatori ora regolano la polarizzazione del raggio laser in modo che sia circolare. Ciò significa che la direzione in cui oscilla il campo elettrico della luce laser non è costante, come sarebbe per la polarizzazione lineare, ma piuttosto ruota continuamente. quella rotazione, a sua volta, viene parzialmente assorbita dalla particella di vetro quando la luce laser la attraversa. La coppia così trasferita fa girare la nanoparticella sempre più velocemente.

Per misurare la frequenza di rotazione, gli scienziati analizzano la luce laser della pinzetta ottica utilizzando un fotorilevatore. La rotazione della particella di vetro crea una variazione periodica dell'intensità della luce che è passata attraverso la particella. Da questa variazione, Novotny e i suoi colleghi hanno calcolato che la sua frequenza di rotazione era superiore a un gigahertz (un miliardo di rotazioni al secondo). "Probabilmente ha girato ancora più velocemente, ma con il nostro attuale fotorilevatore non possiamo misurare frequenze più alte, " Ammette Reimann. Acquistare un rilevatore più veloce è, perciò, una delle massime priorità dei ricercatori.

Con quel rivelatore, sperano di poter misurare frequenze di rotazione fino a 40 gigahertz. È probabile, però, che la nanoparticella esploderà prima di girare così velocemente. A quale frequenza esattamente ciò dovrebbe accadere è tutt'altro che chiaro, poiché non esistono misurazioni affidabili per oggetti così piccoli. Dalla ricerca sui materiali è noto che le fibre ottiche di vetro, spesse solo pochi micrometri, possono sopportare enormi sollecitazioni di trazione (molte volte quelle dei cavi d'acciaio). Tuttavia, nessuno sa esattamente quanto sia robusta una particella di vetro che misura solo pochi nanometri contro le forze centrifughe estreme che si verificano alle alte frequenze di rotazione ora realizzate all'ETH. Queste forze centrifughe possono essere fino a cento miliardi di volte più grandi della forza gravitazionale della terra. "È più o meno uguale alla forza di gravità sulla superficie di una stella di neutroni, "Reimann dice di dare un'idea dell'ordine di grandezza.

Per le nanotecnologie, tali misurazioni sono importanti perché le proprietà dei materiali su scala nanometrica possono differire drasticamente da quelle di oggetti più grandi. Ciò è in parte dovuto all'estrema purezza delle nanoparticelle e alla virtuale assenza di difetti. Inoltre, misurazioni a frequenze di rotazione altrettanto elevate sarebbero difficilmente tecnicamente possibili utilizzando oggetti più grandi. La sfida di far ruotare le nanoparticelle sempre più velocemente, perciò, ha anche una certa rilevanza pratica.

Non sono solo le rotazioni della particella di vetro ad essere estremamente veloci, però, ma anche i progressi in questo campo di ricerca. Poiché alcuni altri gruppi stavano lavorando su esperimenti simili, Novotny e i suoi collaboratori hanno dovuto sbrigarsi un po'. "I dati sono stati finalmente acquisiti in sole due settimane. È stato un finale faticoso, e l'intero team ha lavorato insieme molto duramente per farlo, " ricorda Reimann. Alla fine, i ricercatori sono stati premiati con un nuovo record.