Физики сделали волчок из наночастиц кремния

Ученым удалось контролируемо раскрутить систему из наночастиц относительно длинной оси симметрии. Такой тип вращения, в отличие от вращения по короткой оси, более чувствителен и позволяет достичь высоких скоростей вращения. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Удлиненные объекты могут вращаться относительно короткой оси симметрии (как пропеллер) и относительно длинной (как волчок). Вращение типа пропеллер хорошо и подробно изучено даже для наночастиц: их научились раскручивать со скоростями порядка гигагерца. Для этого частицы ловят оптическим пинцетом, в котором один из пучков имеет заданную поляризацию. В нем длинная ось системы совпадает с направлением поляризации пинцета и помимо осцилляций вращения по двум коротким осям возникают небольшие раскачивания — либрации. С ними можно бороться понижением температуры и уменьшением тепловых флуктуаций, из-за которых происходит еще и неконтролируемое движение относительно длинной оси. Тем не менее чувствительность системы ко внешним воздействиям позволяет измерять крутящий момент, то есть она работает как гироскоп.

Физики из Университета Цюриха под руководством Лукаса Новотного (‪Lukas Novotny) заставили пару наночастиц вращаться вдоль длинной оси со скоростью порядка гигагерца. Они смогли сделать это вращение контролируемым, а его затухание в вакууме составило всего несколько миллигерц.

В эксперименте ученые использовали частицы диоксида кремния диаметром 143 нанометров, которые ловили и удерживали с помощью трехмерного пинцета на длине волны 1550 нанометров. Частицы объединялись в цилиндрически симметричные гантельки и ими удавалось довольно точно управлять и быстро раскручивать относительно коротких осей.

Чтобы заставить наночастицы вращаться как волчок, ученые направили вдоль длинной оси слабый сигнал с круговой поляризацией. При этом они смоделировали и рассчитали скорость такого вращения с учетом трения и либраций.

Сигнал от гирьки детектировали с помощью квадрантного фотодиода, который разбит на несколько квадрантов, и позволяет определить, в какую именно часть попал сигнал. Таким образом получается детектировать небольшие отклонения сигнала при вращении наноротора. Кроме этого, для измерения либраций в схему добавляли поляризационный светоделитель, который позволял фиксировать поляризацию пинцета. Стабилизировать гирьку для измерения удалось благодаря охлаждению по осям x-y с давлением 0,0001 миллибар.

Из-за того, что угловой момент наноротора квантуется, а сам он обладает цилиндрической симметрией, вращение относительно длинной оси отличимо от других — трансляционной или либраций. Это позволило авторам убедиться, что источник сигнала, который они регистрировали, действительно вращение типа волчок.

Физики измеряли зависимости скорости вращения от мощности вращающего сигнала, затухание для разного давления, и сравнивали их теоретическими данными. Оказалось, что экспериментальные данные хорошо согласуются с моделью и позволяют регистрировать переходы между разными типами вращения.

В будущих экспериментах ученые планируют получить более высокий вакуум и использовать наночастицы больших размеров для подробного изучения того, как влияют друг на друга разные механические движения системы. А для теоретического описания этих процессов потребуется использовать квантовую механику.

С помощью левитирующих частиц можно точно измерять не только угловой момент — физики из Китая показали, что и для измерения массы подобные системы тоже подходят. А гироскоп можно реализовать и другими необычными способами — например, с использованием дефекта алмаза.