Дві команди фізиків незалежно розігнали за допомогою лазерів нанометрові «спінери» до швидкості близько одного мільярда оборотів на секунду - найвищої швидкості обертання, отриманої в лабораторії. Перша група зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (ETH Zurich) змушувала обертатися наночастинку кремнезему, а друга група, що складається з китайських і американських дослідників, використовувала як «спінера» наногантелю. Робота вчених допоможе краще зрозуміти такі тонкі ефекти, як обертання Казимира, пов'язане з квантовими флуктуаціями вакууму. Статті опубліковані в [1, 2], коротко про них повідомляє, що препринти робіт викладено на сайті arXiv.org [1, 2].
Швидкість обертання будь-якого об'єкта обмежена межею його міцності. Чим швидше обертається об'єкт, тим більшу швидкість розвивають його частинки і тим більша сила потрібна, щоб змушувати їх повернути і утримувати тіло в цілості. Іншими словами, при збільшенні швидкості зростає відцентрова сила, яка прагне «розірвати» тіло. Втім, називати відцентрову силу «силою» не зовсім правильно, оскільки вона виникає тільки в неінерційній системі відліку (докладніше про її природу можна прочитати в цій замітці).
Найпомітніше дія цієї «фіктивної сили» проявляється в точках, найбільш віддалених від центру обертання об'єкта: = ^ 2, де - маса точки, - її відстань до центру, а в - кутова швидкість. Через це частота обертання макроскопічних об'єктів рідко перевищує тисячу обертів на секунду. Наприклад, частота валу газогенератора двигуна PW207K вертольота «Ансат» може досягати 60000 обертів на хвилину (1000 обертів на секунду), а турбіна двигуна CFM56, який встановлюється на літаках фірм Boeing і Airbus, обертається з частотою близько 5200 обертів на хвилину (менше 90 обертів на секунду).
Зменшуючи розміри об'єкта, можна змусити його обертатися набагато швидше. Виявляється, що для досягнення надвисоких швидкостей найзручніше використовувати частинки розміром близько ста нанометрів, підвішені в повітрі за допомогою лазерного випромінювання (так звана оптична пастка). Направляючи на зв'язану частинку світло з круговою поляризацією, можна передати їй кутовий момент і збільшити її кутову швидкість (ефект Садовського). Таким чином можна уникнути механічного тертя, яке поглинає енергію і заважає розганяти частинку, а також контролювати центр обертання з точністю, порівнянною з теоретичною межею.
На жаль, на високих швидкостях починає позначатися тертя наночастинки об повітря, яке також забирає енергію частинки. Боротися з цим тертям можна тільки відкачуючи установку до наднизьких тисків, створюючи в ній вакуум. Через подібні технічні складнощі вченим не вдавалося досягти в лабораторії швидкостей обертання, що перевищують по порядку десяти мегагерц. У нових роботах вченим вдалося подолати цю перешкоду, підтвердити теоретичні передбачення і досягти частоти обертання порядку одного гігагерца.
Перша група дослідників під керівництвом Лукаса Новотного (Lukas Novotny), використовувала як «спінер» частинку кремнезему (простіше кажучи, звичайного скла) наближено сферичної форми і діаметром близько ста нанометрів. Для зменшення втрат фізики відкачали установку до тиску близько 10 − 8 атмосфер і збільшили довжину хвилі лазера, який використовувався для розгону частинки, до 1565 нанометрів. Це дозволило зменшити швидкість нагріву частинки - в попередніх експериментах такий нагрів змушував частинку «вискакувати» з пастки і заважав розігнати її вище певної межі.
У результаті вчені виявили, що зі зменшенням тиску при фіксованій потужності лазера і збільшенні потужності при фіксованому тиску кутова швидкість обертання частинки лінійно зростає, причому експериментальна залежність добре узгоджується з теорією. Максимальна частота, отримана в цьому експерименті, досягала 1,03 гігагерц, що відповідало швидкість країв частинки близько 300 метрів на секунду, відцентровому прискоренню близько 1012 метрів на секунду в квадраті і напруженню близько 0,2 гігапаскаль. Для порівняння, критична напруга, при якій частинка кремнезему розривається, становить приблизно 10 гігапаскаль.
Друга група, під керівництвом Тунцана Лі (Tongcang Li), змушувала обертатися наногантелі - пов'язані одна з одною частинки кремнезему. Щоб виготовити такі гантелі, вчені «розчиняли» наночастинки кремнезему у воді й отримували колоїдну суспензію, а потім за допомогою ультразвукового небулайзера змушували воду формувати мікрометрові краплі, зважені в повітрі. У деяких з крапель знаходилося дві сферичні частинки кремнезему; після випаровування води частинки залишалися зв'язані в наногантелі, які вчені використовували в подальших дослідах. Відношення діаметра куль до відстані між ними для всіх отриманих наногантелей було приблизно дорівнює двом.
Так само як і група швейцарських вчених, група під керівництвом Тунцана Лі поміщала наногантелі в оптичну пастку, відкачувала установку до тиску близько 10 − 7 атмосфер і світила на частинки лазером з круговою поляризацією і довжиною хвилі близько 1550 нанометрів. Аналогічно швейцарцям, фізики отримали, що швидкість обертання лінійно зростає при зменшенні тиску, а гранична частота обертання в цьому випадку склала приблизно 1,1 гігагерц - при більших швидкостях гантель розривалася під дією відцентрової сили.
Тим не менш, конструкція установки, аналогічна досвіду Кавендіша, в якому дріт крутильних терезів замінено на лазерне випромінювання, дозволяє провести на ній якісно інші експерименти. Якщо замінити в ній світло з круговою поляризацією на лінійно поляризоване світло, наногантелі будуть коливатися, а не крутитися, що дозволить в майбутньому виміряти обертальний ефект Казимира (Casimir torque) і дослідити природу квантової гравітації.
Втім, вчені зізнаються, що спочатку вони не ставили перед собою практичних цілей. Наприклад, співавтор першої роботи, Рене Рейманн (René Reimann), каже: «Якщо чесно, це просто було дуже круто - мати механічний об'єкт з найвищою швидкістю обертання в світі прямо перед нами». Тим не менш, робота вчених може стати в нагоді при вивченні міжзоряного пилу і вакуумного тертя, дослідженні поведінки матеріалів і взаємозв'язку між обертальними і поступальними ступенями свободи в екстремальних умовах.
У листопаді минулого року американські дослідники-нанотехнологи виготовили за допомогою фотолітографії найменший у світі фіджет-спінер, розмір якого склав приблизно сто мікрометрів.