物理学者は「スピナー」を毎秒10億回転に加速しました

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物理学者は「スピナー」を毎秒10億回転に加速しました
物理学者は「スピナー」を毎秒10億回転に加速しました
Anonim
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物理学者の2つのチームは、独立してレーザーを使用して、ナノスケールの「スピナー」を毎秒10億回転のオーダーの速度に加速しました。これは、実験室でこれまでに達成された最速の速度です。チューリッヒのスイス高等工科専門学校(ETHチューリッヒ)の最初のグループはシリカナノ粒子スピンを作成し、中国人とアメリカ人の研究者で構成される2番目のグループはスピナーとしてナノダンベルを使用しました。科学者の研究は、真空の量子ゆらぎに関連するカシミール回転などの微妙な影響をよりよく理解するのに役立ちます。記事はPhysicalReview Letters [1、2]に掲載され、Physicsによって簡単に報告され、論文のプレプリントはarXiv.orgサイト[1、2]に掲載されています。

オブジェクトの回転速度は、その極限強度によって制限されます。オブジェクトの回転が速いほど、その粒子の発達が速くなり、オブジェクトを回転させて体を無傷に保つためにより多くの力が必要になります。言い換えれば、速度が上がると遠心力が大きくなり、体を「壊す」傾向があります。ただし、遠心力を「力」と呼ぶのは完全には正しくありません。これは、非慣性座標系でのみ発生するためです(この注記でその性質について詳しく読むことができます)。

この「架空の力」の作用は、オブジェクトの回転の中心から最も遠い点で最も顕著になります。F=mω2r、ここでmは点の質量、rは中心までの距離、ωは角速度。このため、巨視的な物体の回転数が毎秒1000回転を超えることはめったにありません。たとえば、AnsatヘリコプターのPW207Kエンジンのガス発生器シャフトの周波数は毎分60,000回転(毎秒1000回転)に達する可能性があり、ボーイングとエアバスの航空機に搭載されているCFM56エンジンのタービンは次の速度で回転します。毎分約5200回転(毎秒90回転未満)。

オブジェクトのサイズを小さくすることで、オブジェクトをはるかに速く回転させることができます。超高速を実現するためには、レーザー放射(いわゆる光トラップ)によって空気中に浮遊している約100ナノメートルのサイズの粒子を使用することが最も便利であることがわかります。円偏光を結合粒子に向けることで、角運動量を粒子に伝達し、角速度を上げることができます(サドフスキー効果)。したがって、エネルギーを吸収して粒子の加速を妨げる機械的摩擦を回避することができ、回転の中心を理論上の限界に匹敵する精度で制御することができる。

残念ながら、高速では、空気に対するナノ粒子の摩擦が影響を及ぼし始め、それが粒子のエネルギーも運び去ります。この摩擦は、設備を超低圧にポンプで送り出し、その中に真空を作り出すことによってのみ対処できます。このような技術的な困難のために、科学者は実験室で10メガヘルツを超える回転速度を桁違いに達成することができませんでした。新しい作品では、科学者はこの障害を克服し、理論的な予測を確認し、1ギガヘルツのオーダーの回転速度を達成することに成功しました。

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科学者がナノ粒子を超高速角速度に加速する設備の概略図

Lukas Novotnyが率いる最初の研究者グループは、ほぼ球形で直径が約100ナノメートルのシリカ粒子(つまり、通常のガラス)を「スピナー」として使用しました。損失を減らすために、物理学者はセットアップを約10〜8気圧の圧力にポンプで送り、粒子を1565ナノメートルに加速するために使用されるレーザーの波長を増やしました。これにより、粒子の加熱速度を下げることが可能になりました。以前の実験では、このような加熱により、粒子がトラップから「ジャンプ」し、特定の制限を超えて加速するのを防ぎました。

その結果、科学者たちは、固定レーザー出力での圧力の低下と固定圧力での出力の増加に伴い、粒子の回転角速度が直線的に増加し、実験の依存性が理論とよく一致することを発見しました。この実験で得られた最大周波数は1.03ギガヘルツに達しました。これは、毎秒300メートルのオーダーの粒子のエッジの速度、毎秒1012メートルのオーダーの遠心加速度の2乗、および次のオーダーの電圧に対応します。 0.2ギガパスカル。比較のために、シリカ粒子が破壊する臨界応力は約10ギガパスカルです。

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一定のレーザー出力での圧力に対するナノ粒子の回転周波数の依存性

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固定圧力でのレーザー出力に対するナノ粒子の回転周波数の依存性

Tongcang Liが率いる2番目のグループは、ナノダンベルを回転させました-シリカ粒子が一緒に結合しました。このようなダンベルを作るために、科学者はシリカナノ粒子を水に「溶解」してコロイド懸濁液を得た後、超音波ネブライザーを使用して、水にマイクロメートルの液滴を空中に浮遊させました。一部の液滴には、2つの球状シリカ粒子が含まれていました。水が蒸発した後、粒子はナノダンベルに結合したままであり、科学者はこれをさらなる実験で使用しました。得られたすべてのナノダンベルについて、ボールの直径とボール間の距離の比は、ほぼ2に等しかった。

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ナンダンベルの走査型電子顕微鏡写真

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固定レーザー出力での圧力に対するナノダンベル回転周波数の依存性

スイスの科学者のグループと同じように、Tongtsan Liが率いるグループは、ナノダンベルを光トラップに配置し、設備を約10〜7気圧の圧力にポンプで送り出し、波長約1550ナノメートルの円偏光レーザーで粒子を照らしました。 。スイス人と同様に、物理学者は、回転速度が圧力の低下とともに直線的に増加し、この場合の限界回転周波数は約1.1ギガヘルツであることがわかりました。高速では、ダンベルは遠心力によって引き裂かれました。

それにもかかわらず、ねじり天秤のワイヤーがレーザー放射に置き換えられるキャベンディッシュ実験と同様の施設の設計により、質的に異なる実験を行うことができます。その中の円偏光を直線偏光に置き換えると、ナノダンベルは回転ではなく振動します。これにより、将来、カシミールのトルクを測定し、量子重力の性質を調べることができます。

しかし、科学者たちは当初、実際的な目標を設定していなかったことを認めています。たとえば、最初の作品の共著者であるルネ・ライマンは、「正直なところ、私たちの目の前に世界最高の回転速度を持つ機械的な物体があるのは本当にクールでした」と述べています。それにもかかわらず、科学者の研究は、星間塵と真空摩擦の研究、材料の挙動、および極端な条件での回転と並進の自由度の関係の研究に役立つ可能性があります。

昨年11月、アメリカのナノテクノロジー研究者はフォトリソグラフィーを使用して、サイズが約100マイクロメートルの世界最小のハンドスピナーを製造しました。

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