La rotation la plus rapide du monde

Rien au monde ne tourne plus vite qu'une minuscule particule dans un laboratoire de l'Institut de photonique à Zurich. Le professeur Lukas Novotny de l'ETH et ses collaborateurs y ont réussi à manipuler une particule de verre de seulement cent nanomètres - mille fois plus petite que le diamètre d'un cheveu - de telle sorte qu'elle tourne plus d'un milliard de fois sur son axe par seconde. Les chercheurs espèrent notamment tirer de telles expériences de nouvelles connaissances sur la stabilité du verre et d'autres matériaux en cas de contraintes extrêmes. Ils ont récemment publié les résultats de leurs travaux dans la revue spécialisée page externePhysical Review Letters.

Pincettes de lumière

Pour faire tourner un objet à une telle vitesse, il faut déployer quelques efforts techniques. "Pour ce faire, nous capturons la particule de verre dans un appareil à vide à l'aide de ce que l'on appelle une pince optique", explique René Reimann, qui travaille comme post-doctorant dans le laboratoire de Novotny. Une pincette optique est un faisceau laser fortement focalisé, dans le foyer duquel la particule de verre est maintenue en suspension par des forces lumineuses. Cela permet aux scientifiques d'éviter tout contact mécanique direct entre la particule et le monde extérieur, ce qui entra?nerait des pertes par frottement. De plus, la pression dans l'appareil est cent millions de fois inférieure à la pression atmosphérique normale au niveau de la mer, de sorte qu'il est très rare que des molécules d'air individuelles entrent en collision avec la particule et la ralentissent légèrement.

Un milliard de rotations par seconde

Les chercheurs règlent maintenant la polarisation du faisceau laser de manière à ce qu'elle soit circulaire. Cela signifie que la direction le long de laquelle le champ électrique de la lumière laser oscille n'est pas constante comme dans le cas de la polarisation linéaire, mais qu'elle tourne continuellement. Cette rotation se transmet à son tour partiellement à la particule de verre lorsque la lumière laser la traverse. Gr?ce au couple transmis, la nanoparticule tourne peu à peu de plus en plus vite.

Les chercheurs mesurent la fréquence de rotation en analysant la lumière laser de la pince optique à l'aide d'un photodétecteur. La rotation de la particule de verre produit un changement périodique dans l'intensité de la lumière qui a traversé la particule. Novotny et ses collègues ont ainsi pu calculer que sa fréquence de rotation était supérieure à un gigahertz (un milliard de rotations par seconde). "Il est probable qu'elle tourne encore plus vite, mais notre photodétecteur ne nous permet pas pour l'instant de mesurer des fréquences plus élevées", admet Reimann. L'acquisition d'un détecteur plus rapide figure donc en tête de la liste des priorités des chercheurs.

Des forces centrifuges extrêmes

Ils espèrent ainsi pouvoir finalement mesurer des fréquences de rotation allant jusqu'à 40 gigahertz. Il est toutefois probable que la nanoparticule explose avant de tourner aussi vite. On ne sait pas exactement à quelle fréquence cela devrait se produire, car il n'existe pas encore de mesures fiables pour des objets aussi petits. Certes, on sait par la recherche sur les matériaux que les fibres optiques en verre de quelques micromètres d'épaisseur, par exemple, résistent à d'énormes charges de traction (plusieurs fois celles des c?bles d'acier). Mais personne ne sait exactement quelle est la robustesse d'une particule de verre de quelques nanomètres seulement face aux forces centrifuges extrêmes qui apparaissent lors des hautes fréquences de rotation générées à l'ETH. Ces forces centrifuges peuvent être jusqu'à cent milliards de fois supérieures à la force de gravité terrestre. "Cela correspond à peu près à la force de gravité sur une étoile à neutrons", illustre Reimann pour donner un ordre de grandeur.

De telles mesures sont importantes pour la nanotechnologie, car les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique peuvent être très différentes de celles d'objets plus grands. Cela s'explique notamment par le fait que les nanoparticules sont extrêmement pures et pratiquement exemptes de défauts. De plus, des mesures à des fréquences de rotation aussi élevées sur des objets plus grands seraient également difficilement réalisables d'un point de vue technique. Le défi consistant à faire tourner les nanoparticules de plus en plus vite permet donc d'obtenir des résultats pertinents pour la pratique.

Course scientifique

Mais ce ne sont pas seulement les rotations de la particule de verre qui sont extrêmement rapides, mais aussi les progrès de la recherche dans ce domaine. Comme plusieurs autres groupes travaillaient sur des expériences similaires, Novotny et ses collaborateurs ont d? se dépêcher. "Les données ont finalement été enregistrées en deux semaines seulement. C'était un sprint final épuisant, auquel toute l'équipe a participé activement", se souvient Reimann. Au final, les chercheurs ont été récompensés par un nouveau record.