Des chercheurs de l'ETH ont fait tourner une nanoparticule autour de son propre axe un milliard de fois par seconde. A partir de telles mesures de particules en rotation, les scientifiques espèrent obtenir de nouvelles informations sur le comportement des matériaux soumis à des contraintes extrêmes.

Rien au monde ne tourne plus vite qu'une minuscule particule dans un laboratoire de l'Institut de photonique de Zurich. Le professeur de l'ETH Lukas Novotny et ses collaborateurs ont réussi à manipuler un minuscule morceau de verre d'une centaine de nanomètres seulement – ​​mille fois plus petit qu'un cheveu – de manière à le faire tourner sur lui-même plus d'un milliard de fois par an. seconde. Les scientifiques espèrent que leurs expériences donneront de nouvelles informations sur la stabilité du verre et d'autres matériaux soumis à des contraintes extrêmes. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

Il faut un effort technique considérable pour faire tourner un objet aussi rapidement. "Faire cela, on piège la particule de verre dans un appareil à vide à l'aide de pinces dites optiques, " explique René Reimann, un post-doc dans le laboratoire de Novotny. Les pincettes optiques sont créées par un faisceau laser fortement focalisé, où la particule de verre est soulevée par des forces lumineuses au foyer du faisceau. Cela permet aux scientifiques d'éliminer tout contact mécanique direct avec le monde extérieur, ce qui entraînerait des pertes par frottement. De plus, la pression dans l'appareil est cent millions de fois inférieure à la pression normale de l'air au niveau de la mer. Cela signifie que très rarement les molécules d'air individuelles entrent en collision avec la particule, le ralentir légèrement dans le processus.

Les chercheurs ajustent maintenant la polarisation du faisceau laser pour qu'elle soit circulaire. Cela signifie que la direction dans laquelle le champ électrique de la lumière laser oscille n'est pas constante, comme ce serait pour la polarisation linéaire, mais tourne plutôt en continu. Cette rotation, à son tour, est partiellement repris par la particule de verre lorsque la lumière laser la traverse. Le couple ainsi transféré fait tourner la nanoparticule de plus en plus vite.

Pour mesurer la fréquence de rotation, les scientifiques analysent la lumière laser de la pince à épiler optique à l'aide d'un photodétecteur. La rotation de la particule de verre crée une variation périodique de l'intensité de la lumière qui a traversé la particule. A partir de cette variante, Novotny et ses collègues ont calculé que sa fréquence de rotation était supérieure à un gigahertz (un milliard de rotations par seconde). "Ça a probablement tourné encore plus vite, mais avec notre photodétecteur actuel, nous ne pouvons pas mesurer de fréquences plus élevées, " Admet Reimann. Acheter un détecteur plus rapide, c'est, donc, l'une des principales priorités des chercheurs.

Avec ce détecteur, ils espèrent pouvoir mesurer des fréquences de rotation jusqu'à 40 gigahertz. Il est probable, cependant, que la nanoparticule va exploser avant de tourner aussi vite. À quelle fréquence exactement cela est censé se produire est loin d'être clair, car il n'y a pas de mesures fiables pour de si petits objets. La recherche sur les matériaux montre que les fibres optiques de verre de quelques micromètres d'épaisseur seulement peuvent résister à d'énormes contraintes de traction (plusieurs fois celles des câbles en acier). Néanmoins, personne ne sait exactement à quel point une particule de verre mesurant seulement quelques nanomètres est robuste contre les forces centrifuges extrêmes qui se produisent aux fréquences de rotation élevées maintenant réalisées à l'ETH. Ces forces centrifuges peuvent être jusqu'à cent milliards de fois plus importantes que la force gravitationnelle de la Terre. "C'est à peu près égal à la force de gravité à la surface d'une étoile à neutrons, " dit Reimann pour donner une idée de l'ordre de grandeur.

Pour les nanotechnologies, de telles mesures sont importantes car les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique peuvent différer considérablement de celles d'objets plus gros. Cela est dû en partie à l'extrême pureté des nanoparticules et à la quasi-absence de défauts. De plus, des mesures à des fréquences de rotation aussi élevées ne seraient guère techniquement possibles avec des objets plus gros. Le défi de faire tourner toujours plus vite les nanoparticules, donc, a également une certaine pertinence pratique.

Il n'y a pas que les rotations de la particule de verre qui sont extrêmement rapides, cependant, mais aussi les progrès dans ce domaine de recherche. Comme quelques autres groupes travaillaient sur des expériences similaires, Novotny et ses collaborateurs ont dû se dépêcher un peu. "Les données ont finalement été prises en seulement deux semaines. C'était une fin ardue, et toute l'équipe a travaillé très dur pour le faire, " se souvient Reimann. Au final, les chercheurs ont été récompensés par un nouveau record.