La rotazione più veloce del mondo

Niente al mondo gira più velocemente di una minuscola particella in un laboratorio dell'Istituto di fotonica di Zurigo. L'ETH Lukas Novotny e i suoi collaboratori sono riusciti a manipolare una particella di vetro di appena cento nanometri - mille volte più piccola del diametro di un capello - in modo da farla ruotare intorno al proprio asse più di un miliardo di volte al secondo. I ricercatori sperano, tra l'altro, che questi esperimenti possano fornire nuove conoscenze sulla stabilità del vetro e di altri materiali sottoposti a carichi estremi. I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati di recente nella rivista scientifica pagina esternaLettere di revisione fisica.

Pinzette di luce

Far ruotare un oggetto così rapidamente richiede un certo sforzo tecnico. "Catturiamo la particella di vetro in un apparecchio a vuoto usando le cosiddette pinzette ottiche", spiega René Collabor, che lavora come ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Novotny. Le pinzette ottiche sono costituite da un raggio laser altamente focalizzato nel cui punto focale la particella di vetro è tenuta in sospensione dalle forze della luce. Questo permette agli scienziati di evitare qualsiasi contatto meccanico diretto tra la particella e il mondo esterno, che porterebbe a perdite per attrito. Inoltre, la pressione nell'apparato è cento milioni di volte inferiore alla normale pressione dell'aria al livello del mare, per cui solo molto raramente singole molecole d'aria entrano in collisione con la particella e la rallentano leggermente.

Un miliardo di rotazioni al secondo

I ricercatori stanno ora regolando la polarizzazione del raggio laser in modo che sia circolare. Ciò significa che la direzione lungo la quale oscilla il campo elettrico della luce laser non è costante, come nel caso della polarizzazione lineare, ma ruota continuamente. Questa rotazione, a sua volta, viene parzialmente trasferita alla particella di vetro quando la luce laser la attraversa. La coppia trasmessa fa sì che la nanoparticella ruoti gradualmente sempre più velocemente.

I ricercatori misurano la frequenza di rotazione analizzando la luce laser proveniente dalle pinzette ottiche con un fotorilevatore. La rotazione della particella di vetro produce una variazione periodica dell'intensità della luce che ha attraversato la particella. Novotny e i suoi colleghi sono riusciti a calcolare che la frequenza di rotazione è superiore a un gigahertz (un miliardo di rotazioni al secondo). "Probabilmente ruota anche più velocemente, ma al momento non possiamo misurare frequenze più elevate con il nostro fotorivelatore", ammette Reimann. L'acquisizione di un rivelatore più veloce è quindi in cima alla lista delle priorità dei ricercatori.

Forze centrifughe estreme

I ricercatori sperano di poter misurare frequenze di rotazione fino a 40 gigahertz. Tuttavia, è probabile che la nanoparticella esploda prima di ruotare così velocemente. Non è ancora del tutto chiaro a quale frequenza dovrebbe accadere, perché finora non sono state effettuate misurazioni affidabili per oggetti così piccoli. Dalla ricerca sui materiali si sa, ad esempio, che le fibre di vetro ottico spesse pochi micrometri possono sopportare enormi carichi di trazione (molte volte superiori a quelli dei cavi d'acciaio). Tuttavia, nessuno sa esattamente quanto sia resistente una particella di vetro di pochi nanometri alle forze centrifughe estreme che si verificano alle alte frequenze di rotazione generate all'ETH. Queste forze centrifughe possono essere fino a cento miliardi di volte superiori all'attrazione gravitazionale della Terra. "Questo equivale all'incirca alla forza gravitazionale di una stella di neutroni", spiega Reimann, illustrando l'ordine di grandezza.

Tali misure sono importanti per le nanotecnologie, poiché le proprietà dei materiali su scala nanometrica possono differire in modo significativo da quelle degli oggetti più grandi. Uno dei motivi è che le nanoparticelle sono estremamente pure e praticamente prive di difetti. Inoltre, misure con frequenze di rotazione altrettanto elevate su oggetti più grandi sarebbero tecnicamente quasi impossibili. La sfida di far ruotare le nanoparticelle sempre più velocemente porta quindi a risultati rilevanti nella pratica.

Gara scientifica

Tuttavia, non sono solo le rotazioni della particella di vetro a essere estremamente veloci, ma anche i progressi compiuti nella ricerca in questo campo. Poiché diversi altri gruppi stavano lavorando a esperimenti simili, Novotny e i suoi collaboratori hanno dovuto lavorare molto rapidamente. "I dati sono stati registrati in sole due settimane. Si è trattato di un'estenuante fase finale, in cui tutto il team ha collaborato duramente", ricorda Reimann. Alla fine, i ricercatori sono stati premiati con il nuovo record.