Onderzoekers van ETH hebben een nanodeeltje een miljard keer per seconde om zijn eigen as laten draaien. Uit dergelijke metingen van roterende deeltjes, de wetenschappers hopen nieuwe inzichten te krijgen in het gedrag van materialen onder extreme belasting.

Niets ter wereld draait sneller dan een klein deeltje in een laboratorium van het Instituut voor Fotonica in Zürich. ETH-professor Lukas Novotny en zijn medewerkers zijn erin geslaagd een minuscuul stukje glas van slechts honderd nanometer groot - duizend keer kleiner dan een haar - zodanig te manipuleren dat het meer dan een miljard keer per jaar om zijn eigen as draait tweede. De wetenschappers hopen dat hun experimenten nieuwe inzichten opleveren in de stabiliteit van glas en andere materialen onder extreme belasting. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Het vergt behoorlijk wat technische inspanning om een ​​object zo snel te laten roteren. "Om dat te doen, we vangen het glasdeeltje op in een vacuümapparaat met behulp van zogenaamde optische pincetten, " legt René Reimann uit, een postdoc in het laboratorium van Novotny. Optische pincetten worden gemaakt door een sterk gefocuste laserstraal, waar het glasdeeltje door lichtkrachten in het brandpunt van de straal wordt gezweefd. Hierdoor kunnen de wetenschappers elk direct mechanisch contact met de buitenwereld elimineren, wat tot wrijvingsverliezen zou leiden. Bovendien, de druk in het apparaat is honderd miljoen keer lager dan de normale luchtdruk op zeeniveau. Dit betekent dat slechts zeer zelden enkele luchtmoleculen met het deeltje botsen, vertragen het enigszins in het proces.

De onderzoekers stellen nu de polarisatie van de laserstraal bij om circulair te zijn. Dit betekent dat de richting waarin het elektrische veld van het laserlicht oscilleert niet constant is, zoals het zou zijn voor lineaire polarisatie, maar draait continu rond. Die rotatie, beurtelings, wordt gedeeltelijk overgenomen door het glasdeeltje wanneer het laserlicht er doorheen gaat. Het aldus overgedragen koppel zorgt ervoor dat het nanodeeltje steeds sneller draait.

Om de rotatiefrequentie te meten, de wetenschappers analyseren het laserlicht van het optische pincet met behulp van een fotodetector. De rotatie van het glasdeeltje zorgt voor een periodieke variatie in de intensiteit van het licht dat door het deeltje is gegaan. Van deze variatie Novotny en zijn collega's berekenden dat de rotatiefrequentie hoger was dan een gigahertz (een miljard rotaties per seconde). "Het draaide waarschijnlijk nog sneller, maar met onze huidige fotodetector kunnen we geen hogere frequenties meten, " geeft Reimann toe. Een snellere detector kopen is, daarom, een van de topprioriteiten van de onderzoekers.

Met die detektor, ze hopen rotatiefrequenties tot 40 gigahertz te kunnen meten. Het is waarschijnlijk, echter, dat het nanodeeltje zal exploderen voordat het zo snel draait. Op welke frequentie dat precies moet gebeuren, is verre van duidelijk, omdat er geen betrouwbare metingen zijn voor dergelijke kleine objecten. Uit materiaalonderzoek is bekend dat optische glasvezels met een dikte van slechts enkele micrometers enorme trekspanningen kunnen weerstaan ​​(meerdere keren die van staalkabels). Hoe dan ook, niemand weet precies hoe robuust een glasdeeltje van slechts enkele nanometers is tegen de extreme centrifugaalkrachten die optreden bij de hoge rotatiefrequenties die nu bij ETH worden gerealiseerd. Die middelpuntvliedende krachten kunnen tot honderd miljard keer groter zijn dan de zwaartekracht van de aarde. "Dat is ongeveer gelijk aan de zwaartekracht op het oppervlak van een neutronenster, ' zegt Reimann om een ​​idee te geven van de orde van grootte.

Voor nanotechnologie, dergelijke metingen zijn belangrijk omdat de eigenschappen van materialen op nanoschaal drastisch kunnen verschillen van die van grotere objecten. Dat komt mede door de extreme zuiverheid van nanodeeltjes en de vrijwel afwezigheid van defecten. Bovendien, metingen bij vergelijkbare hoge rotatiefrequenties zouden technisch nauwelijks mogelijk zijn met grotere objecten. De uitdaging om nanodeeltjes steeds sneller te laten roteren, daarom, heeft ook enige praktische relevantie.

Niet alleen de rotaties van het glasdeeltje zijn extreem snel, echter, maar ook de vooruitgang op dit onderzoeksgebied. Omdat een paar andere groepen aan soortgelijke experimenten werkten, Novotny en zijn medewerkers moesten behoorlijk opschieten. "De gegevens werden uiteindelijk in slechts twee weken genomen. Dat was een inspannende afsluiting, en het hele team werkte heel hard samen om het voor elkaar te krijgen, " herinnert Reimann zich. Uiteindelijk de onderzoekers werden beloond met een nieuw record.