Los investigadores de ETH han hecho que una nanopartícula gire alrededor de su propio eje mil millones de veces por segundo. De tales mediciones de partículas giratorias, los científicos esperan obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los materiales bajo estrés extremo.

Nada en el mundo gira más rápido que una pequeña partícula en un laboratorio del Instituto de Fotónica de Zúrich. El profesor de ETH Lukas Novotny y sus colaboradores han logrado manipular un minúsculo trozo de vidrio de solo cien nanómetros de tamaño, mil veces más pequeño que un cabello, de tal manera que gire alrededor de su propio eje más de mil millones de veces. segundo. Los científicos esperan que sus experimentos proporcionen nuevos conocimientos sobre la estabilidad del vidrio y otros materiales bajo estrés extremo. Los resultados de su investigación fueron publicados recientemente en la revista científica Cartas de revisión física .

Se necesita un esfuerzo técnico considerable para hacer que el objeto gire tan rápido. "Para hacerlo, atrapamos la partícula de vidrio en un aparato de vacío utilizando las llamadas pinzas ópticas, "explica René Reimann, un postdoctorado en el laboratorio de Novotny. Las pinzas ópticas se crean mediante un rayo láser fuertemente enfocado, donde la partícula de vidrio es levitada por fuerzas de luz en el foco del haz. Esto permite a los científicos eliminar cualquier contacto mecánico directo con el mundo exterior. lo que daría lugar a pérdidas por fricción. Es más, la presión en el aparato es cien millones de veces menor que la presión normal del aire al nivel del mar. Esto significa que muy raramente las moléculas de aire individuales chocan con la partícula, ralentizándolo ligeramente en el proceso.

Los investigadores ahora ajustan la polarización del rayo láser para que sea circular. Esto significa que la dirección en la que oscila el campo eléctrico de la luz láser no es constante, como sería para la polarización lineal, sino que gira continuamente. Esa rotación Sucesivamente, es absorbido parcialmente por la partícula de vidrio cuando la luz láser pasa a través de ella. El par de torsión así transferido hace que la nanopartícula gire cada vez más rápido.

Para medir la frecuencia de rotación, los científicos analizan la luz láser de la pinza óptica utilizando un fotodetector. La rotación de la partícula de vidrio crea una variación periódica en la intensidad de la luz que ha pasado a través de la partícula. De esta variación, Novotny y sus colegas calcularon que su frecuencia de rotación era superior a un gigahercio (mil millones de rotaciones por segundo). "Probablemente giró aún más rápido, pero con nuestro fotodetector actual no podemos medir frecuencias más altas, "Reimann admite. Comprar un detector más rápido es, por lo tanto, una de las principales prioridades de los investigadores.

Con ese detector esperan poder medir frecuencias de rotación de hasta 40 gigahercios. Es probable sin embargo, que la nanopartícula explotará antes de girar tan rápido. A qué frecuencia exactamente se supone que debe suceder eso no está nada claro, ya que no existen medidas fiables para objetos tan pequeños. A partir de la investigación de materiales, se sabe que las fibras de vidrio óptico que tienen solo unos pocos micrómetros de espesor pueden soportar una enorme tensión de tracción (varias veces mayor que la de los cables de acero). Sin embargo, nadie sabe exactamente qué tan robusta es una partícula de vidrio que mide solo unos pocos nanómetros frente a las fuerzas centrífugas extremas que surgen en las altas frecuencias de rotación que ahora se realizan en ETH. Esas fuerzas centrífugas pueden ser hasta cien mil millones de veces más grandes que la fuerza gravitacional de la Tierra. "Eso es aproximadamente igual a la fuerza de la gravedad en la superficie de una estrella de neutrones, "Reimann dice que dé una idea del orden de magnitud.

Para la nanotecnología, tales medidas son importantes porque las propiedades de los materiales a nanoescala pueden diferir drásticamente de las de los objetos más grandes. Eso se debe en parte a la extrema pureza de las nanopartículas y la virtual ausencia de defectos. Es más, Las mediciones a frecuencias de rotación igualmente altas difícilmente serían técnicamente posibles utilizando objetos más grandes. El desafío de hacer que las nanopartículas giren cada vez más rápido, por lo tanto, también tiene cierta relevancia práctica.

No son solo las rotaciones de la partícula de vidrio las que son extremadamente rápidas, sin embargo, pero también los avances en este campo de investigación. Como algunos otros grupos estaban trabajando en experimentos similares, Novotny y sus colaboradores tuvieron que apurarse bastante. "Los datos finalmente se tomaron en solo dos semanas. Fue un final agotador, y todo el equipo trabajó muy duro para lograrlo, "Recuerda Reimann. Al final, los investigadores fueron recompensados ​​con un nuevo récord.