Schnellstes rotierendes Objekt Weltrekord: Nichts dreht sich schneller

Eine Kreiszeitung wirbt für ein Karussell mit der angeblich schnellsten Beschleunigung von „unglaublichen“ 18 Umdrehungen pro Minute. Eine Eiskunstläuferin schafft bei einer Pirouette in einer Sekunde etwa zwei Umdrehungen, die Trommel handelsüblicher Waschmaschinen dreht sich im Schleudergang etwa 1600 mal in der Minute, also rund 26 Mal in der Sekunde. Alles Peanuts! An der ETH Zürich steht nun eine Apparatur, die das am schnellsten rotierende Objekt der Welt enthält. Und das im Dienste der Forschung.

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ETH Zürich

Zürich/Schweiz – Nichts auf der Welt dreht sich schneller als ein winziges Teilchen in einem Labor des Instituts für Photonik in Zürich. Dort gelang es ETH-Professor Lukas Novotny und seinen Mitarbeitern, ein nur einhundert Nanometer großes Glaspartikel – tausendmal kleiner als der Durchmesser eines Haares – derart zu manipulieren, dass es sich pro Sekunde mehr als eine Milliarde Mal um seine Achse dreht. Von solchen Experimenten erhoffen sich die Forscher unter anderem neue Erkenntnisse über die Stabilität von Glas und anderen Materialien bei extremen Belastungen.

Pinzette aus Licht verhilft zum Weltrekord

Um einen Gegenstand dazu zu bringen, sich derart schnell zu drehen, muss man einigen technischen Aufwand betreiben. „Wir fangen das Glasteilchen dazu in einer Vakuumapparatur mit Hilfe einer so genannten optischen Pinzette ein“, erklärt René Reimann, der als Postdoktorand in Novotnys Labor arbeitet. Eine optische Pinzette ist ein stark gebündelter Laserstrahl, in dessen Brennpunkt das Glaspartikel durch Lichtkräfte in der Schwebe gehalten wird. Dies erlaubt es den Wissenschaftlern, jeglichen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem Partikel und der Außenwelt zu vermeiden, der zu Reibungsverlusten führen würde. Zudem ist der Druck in der Apparatur hundert Millionen Mal geringer als der normale Luftdruck auf Meereshöhe, so dass nur sehr selten einzelne Luftmoleküle mit dem Partikel zusammenstoßen und dieses geringfügig abbremsen.

Eine Milliarde Drehungen pro Sekunde

Die Forscher stellen nun die Polarisierung des Laserstrahls so ein, dass sie zirkular ist. Das bedeutet, dass die Richtung, entlang derer das elektrische Feld des Laserlichts schwingt, nicht wie bei der linearen Polarisation konstant ist, sondern sich kontinuierlich dreht. Diese Drehung wiederum geht teilweise auf das Glaspartikel über, wenn das Laserlicht es durchquert. Durch das übertragene Drehmoment dreht sich das Nanopartikel nach und nach immer schneller.

Die Drehfrequenz messen die Forscher, indem sie das Laserlicht der optischen Pinzette mittels eines Photodetektors analysieren. Die Drehung des Glasteilchens erzeugt eine periodische Änderung in der Intensität des Lichts, das das Partikel durchquert hat. Daraus konnten Novotny und seine Kollegen errechnen, dass seine Rotationsfrequenz größer als ein Gigahertz (eine Milliarde Drehungen pro Sekunde) war. „Vermutlich dreht es sich sogar noch schneller, doch mit unserem Photodetektor können wir momentan keine höheren Frequenzen messen“, räumt Reimann ein. Ganz oben auf der Prioritätenliste der Forscher steht deshalb die Anschaffung eines schnelleren Detektors.

Schnellste Drehfrequenzen – extreme Fliehkräfte

Damit hoffen sie, schließlich sogar Drehfrequenzen von bis zu 40 Gigahertz messen zu können. Es ist allerdings wahrscheinlich, dass das Nanopartikel explodiert, bevor es sich so schnell dreht. Bei welcher Frequenz genau das passieren sollte, ist nicht ganz klar, da es für solch kleine Objekte bislang keine verlässlichen Messungen gibt. Zwar ist aus der Materialforschung bekannt, dass zum Beispiel wenige Mikrometer dünne optische Glasfasern enorme Zugbelastungen aushalten (ein Vielfaches von Stahlseilen). Wie robust aber ein nur wenige Nanometer großes Glaspartikel gegenüber den extremen Fliehkräften ist, die bei den an der ETH erzeugten hohen Drehfrequenzen auftreten, weiß dagegen niemand so genau. Diese Fliehkräfte können bis zu hundert Milliarden Mal größer sein als die Erdanziehungskraft. „Das entspricht in etwa der Schwerkraft auf einem Neutronenstern“, veranschaulicht Reimann die Größenordnung.

Für die Nanotechnologie sind solche Messungen wichtig, da sich die Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala deutlich von denen größerer Objekte unterscheiden können. Das liegt unter anderem daran, dass Nanopartikel äußerst rein und praktisch defektfrei sind. Zudem wären Messungen mit ähnlich hohen Drehfrequenzen an größeren Gegenständen auch technisch kaum durchführbar. Die Herausforderung, Nanopartikel immer schneller drehen zu lassen, führt daher durchaus zu für die Praxis relevanten Erkenntnissen.

Wissenschaftlicher Wettlauf

Doch nicht nur die Drehungen des Glasteilchens sind extrem schnell, sondern auch die Fortschritte in der Forschung auf diesem Gebiet. Da einige andere Gruppen an ähnlichen Experimenten arbeiteten, mussten Novotny und seine Mitarbeiter sich ordentlich sputen. „Die Daten wurden letztendlich in nur zwei Wochen aufgenommen. Das war ein anstrengender Endspurt, an dem das gesamte Team kräftig mitgearbeitet hat“, erinnert sich Reimann. Am Ende wurden die Forscher dann mit dem neuen Rekord belohnt.

Originalpublikation: Reimann R et al.: GHz Rotation of an Optically Trapped Nanoparticle in Vacuum. Phys. Rev. Lett. 121, 033602, doi: 10.1103/PhysRevLett.121.033602

* O. Morsch: ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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