图片来源：ScieenceNews
撰文 | 逢之
近日，普渡大学的Tongcang Li团队创造了一种哑铃状二氧化硅纳米颗粒，其仅由光的力和扭矩驱动，能够以每分钟3000亿转的速度旋转，是当前世界上旋转最快的物体。此外，这种二氧化硅纳米颗粒也是世界上最灵敏的扭矩传感器。
研究人员希望将它用于测量由量子效应所产生的摩擦，同时认为这种纳米转子在纳米尺度磁性和量子几何相位的研究中也将会有所应用。
相关成果以"Ultrasensitive torque detection with an optically levitated nanorotor"为题于近期发表在《Nature Nanotechnology》上。
在17世纪，德国著名的天文学家和数学家开普勒（Johannes Kepler）观测到彗星尾巴总是指向并远离太阳，并首次提出这种现象可能是由太阳光的压力所致。1873年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）由电磁理论推算出光压的存在，指出光的压力与表面辐入系数、黑体辐入度、光速有关。
光的辐射压力虽然微小，但有很多重要应用。在太空中，光帆可以利用光推进卫星，英国著名物理学家霍金（Stephen William Hawking）曾于2016年提出研发一种质量为克级的“纳米飞行器”，并且通过光压把它推动到五分之一的光速，使其能够在人类的时间尺度内到达遥远的恒星。此外，运用光的辐射压力还发展出了光镊技术，Arthur Ashkin被授予2018年诺贝尔物理学奖，即表彰他发明了用激光束操纵粒子、原子和分子的光镊。
扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩，用于测量系统扭矩的设备具有多样的形式和尺寸。近年来，科学家一直在研究减小扭矩传感器尺寸的方法，以测量非常小的扭矩，集合了纳米制造技术和低温冷却技术的微型扭矩测量装置已经被用来研究卡西米尔效应和小尺度磁性。
此前，最灵敏的扭矩传感器在稀释制冷机中的毫开尔文温度下达到了2.9×10−24N m Hz−1/2的灵敏度。
普渡大学的该团队致力于打破这一纪录，最终他们的扭矩传感器在室温下的灵敏度达到了(4.2±1.2)×10−27N m Hz−1/2。
普渡大学的科学家利用第一束激光将纳米颗粒悬浮在真空中，然后使用第二束激光测试其扭矩灵敏度，从而创造了旋转速度最快的人造物体和最灵敏的扭矩传感器。
英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）曾在1798年进行了经典的卡文迪许扭矩实验，该实验确定了牛顿引力常数。典型的实验装置为一根两端置有重球的棒悬由一根细金属线悬挂，当万有引力作用在两个重球上时，金属线和棒将会发生扭转，测出扭转角即可推算出牛顿引力常数。在普渡大学的新实验中，被激光束悬浮的纳米颗粒的作用与棒相似，激光束则可以被看做为经典实验种的金属丝。
新装置的核心是一种二氧化硅纳米颗粒，其由一束500 mW，1550 nm的激光悬浮于真空中，另一束1020 nm的圆偏振脉冲激光则被用来向纳米颗粒施加扭矩，每次对准100秒并利用频谱分析仪分析出旋转信号的频谱图。研究人员在实验中还使用了1/4波片来控制光的偏振态。纳米粒子受到电磁束中旋转波的扭矩作用，以3000亿转/分钟的速度旋转，这是有史以来最快的人造转子。
此前，世界上最快旋转物体的转速记录也是由Tongcang Li和他的同事所创造的，仅为新纪录的1/5。该团队能够通过光学传感器测出在一个实验周期内粒子的旋转速度变化量，以此测量纳米粒子所受扭矩的大小。研究人员指出，他们的装置系统与其他团队正在开发的系统有所不同，前者不需要复杂的纳米加工技术。
使用该装置，研究人员能够测量到千万亿分之一的扭矩，其达到的灵敏度是此前记录的700倍。该团队表示新装置有望在真空摩擦检测中得到应用，如果旋转的纳米颗粒包含电子自旋（例如金刚石氮空位中心），则可以观测到量子几何相位。此外，该装置还可用于研究纳米尺度磁性，尤其是爱因斯坦-德哈斯效应和巴尼特效应。
图1 两束不同的激光束对纳米颗粒进行悬浮和扭矩测试
图2 激光悬浮纳米颗粒的实验示意图和颗粒旋转功率谱密度曲线图
图3 激光悬浮纳米颗粒的振动功率谱密度曲线图和旋转频率-气压关系曲线图
图4 外加扭矩的超灵敏检测
图5 根据在物质表面附近旋转的纳米颗粒计算真空摩擦
文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0605-9
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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