Forskare vid ETH har fått en nanopartikel att vända sig runt sin egen axel en miljard gånger per sekund. Från sådana mätningar av roterande partiklar, forskarna hoppas kunna få nya insikter om material beteende under extrem stress.

Ingenting i världen roterar snabbare än en liten partikel i ett laboratorium vid Institutet för fotonik i Zürich. ETH-professorn Lukas Novotny och hans medarbetare har lyckats manipulera en liten bit av glas som bara är hundra nanometer stor – tusen gånger mindre än ett hårstrå – på ett sådant sätt att det får det att vända sig runt sin egen axel mer än en miljard gånger en andra. Forskarna hoppas att deras experiment ska ge nya insikter om stabiliteten hos glas och andra material under extrem stress. Resultaten av deras forskning publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Det tar avsevärd teknisk ansträngning att få ett objekt att rotera så snabbt. "Att göra så, vi fångar glaspartikeln i en vakuumapparat med så kallad optisk pincett, " förklarar René Reimann, en post-doc i Novotnys laboratorium. Optisk pincett skapas av en starkt fokuserad laserstråle, där glaspartikeln svävar av ljuskrafter i strålens fokus. Detta gör det möjligt för forskarna att eliminera all direkt mekanisk kontakt med omvärlden, vilket skulle leda till friktionsförluster. Dessutom, trycket i apparaten är hundra miljoner gånger lägre än det normala lufttrycket vid havsnivån. Detta innebär att endast mycket sällan enstaka luftmolekyler kolliderar med partikeln, saktar ner det något under processen.

Forskarna justerar nu laserstrålens polarisering till att vara cirkulär. Detta betyder att riktningen i vilken det elektriska fältet hos laserljuset svänger inte är konstant, som det skulle vara för linjär polarisering, utan snarare roterar kontinuerligt. Den rotationen, i tur och ordning, tas delvis över av glaspartikeln när laserljuset passerar genom den. Det vridmoment som på så sätt överförs gör att nanopartikeln svänger snabbare och snabbare.

För att mäta rotationsfrekvensen, forskarna analyserar laserljuset från den optiska pincetten med hjälp av en fotodetektor. Glaspartikelns rotation skapar en periodisk variation i intensiteten av ljuset som passerat genom partikeln. Från denna variation, Novotny och hans kollegor beräknade att dess rotationsfrekvens var högre än en gigahertz (en miljard rotationer per sekund). "Det vände förmodligen ännu snabbare, men med vår nuvarande fotodetektor kan vi inte mäta några högre frekvenser, " erkänner Reimann. Att köpa en snabbare detektor är, därför, en av forskarnas högsta prioriteringar.

Med den detektorn, de hoppas kunna mäta rotationsfrekvenser upp till 40 gigahertz. Det är sannolikt, dock, att nanopartikeln kommer att explodera innan den svänger så snabbt. Med vilken frekvens exakt det ska hända är långt ifrån klart, eftersom det inte finns några tillförlitliga mätningar för sådana små föremål. Från materialforskning är det känt att optiska glasfibrer som bara är några mikrometer tjocka tål enorma dragpåkänningar (flera gånger större än stålkablar). Ändå, ingen vet exakt hur robust en glaspartikel som bara mäter några nanometer är mot de extrema centrifugalkrafter som uppstår vid de höga rotationsfrekvenser som nu realiseras vid ETH. Dessa centrifugalkrafter kan vara upp till hundra miljarder gånger större än jordens gravitationskraft. "Det är ungefär lika med tyngdkraften på ytan av en neutronstjärna, " säger Reimann för att ge en uppfattning om storleksordningen.

För nanoteknik, sådana mätningar är viktiga eftersom egenskaperna hos material på nanoskala kan skilja sig drastiskt från egenskaperna hos större föremål. Det beror delvis på den extrema renheten hos nanopartiklar och den praktiska frånvaron av defekter. Dessutom, mätningar vid lika höga rotationsfrekvenser skulle knappast vara tekniskt möjliga med större föremål. Utmaningen att få nanopartiklar att rotera allt snabbare, därför, har också en viss praktisk relevans.

Det är inte bara glaspartiklarnas rotationer som är extremt snabba, dock, men också framstegen inom detta forskningsområde. Eftersom några andra grupper arbetade med liknande experiment, Novotny och hans medarbetare fick skynda sig ganska mycket. "Datan togs äntligen på bara två veckor. Det var en ansträngande finish, och hela teamet arbetade mycket hårt för att få det gjort, " minns Reimann. Till slut, forskarna belönades med ett nytt rekord.