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每分钟600 亿圈!有史以来转速最快的装置诞生

作者:admin 发布日期:2019/6/27 关注次数: 二维码分享

最近,DT 君被世界最快的转子的相关报道刷了屏。但是,其实这个“世界最快的转子”发表的论文不是一篇,而是两篇。


本月 20 日,两个科研团队同时在“物理评论快报(Physics Review Letters)”上发表了他们的研究成果,实现了一种转速高达每分钟 600 亿圈,比牙医使用的钻头转速快 10 万倍的纳米级旋转装置。


两个团队的发明打破了物理上人类可实现的极限,并将助力与材料学、量子力学和真空环境有关的研究。


这两个团队分别是由印第安纳州普渡大学、北京大学和清华大学的研究人员构成的合作研究团队,以及苏黎世联邦理工学院的研究团队。值得一提的是,两组团队在设计上使用的方法相似,都是借助(肉眼不可见的)纳米级物体和变压真空环境实现的超高转速。


其中,苏黎世联邦理工学院教授 Lukas Novotny 及其团队采用了一块比人的一根头发还要小 1000 倍,长只有一百纳米的玻璃。而普渡大学的李统藏团队则使用了一块约 170 纳米宽,320 纳米长的二氧化硅作为旋转物体。


普渡大学的研究人员表示:“事实上,我们研究的是一些更为基础的内容,例如重力和摩擦力在真空环境中如何作用在转动的物体上。目前,我们的纳米转动装置已经做好准备,随时可以开始对此类问题进行详细的调查。”


普渡大学高级研究员李统藏说:“这项研究有许多应用方向,比如研究不同材料能够存在的极端条件。”


普渡大学的旋转器由纳米级的二氧化硅组成,形状与哑铃类似,用激光使二氧化硅旋转体悬浮于真空中。




图 | 普渡大学旋转装置外貌


瑞士 Lukas Novotny 团队里的博士后,RenéReimann 解释道:“使物体以如此高的速度快速旋转并不容易,这也是为什么我们要用光学镊子(刚才提到的激光)将玻璃颗粒(瑞士研究团队使用的旋转物体)捕获在真空设备中。”




图 | 苏黎世联邦理工的旋转装置外貌


光学镊子由强聚焦激光束产生,研究对象会被光束焦点处的光力悬浮在真空中,使科学家们可以消除旋转物体与外界的力学上的接触,减少由摩擦带来的能量损耗。另外,真空设备中的压力比海平面的正常气压低一亿亿倍,这意味着单个空气分子很少与研究对象发生碰撞,进而避免转动减速。


激光的偏振可为直线形和圆形,而圆形偏振则意味着激光的电场振荡的向不恒定,会发生连续的旋转。在苏黎世联邦理工的研究中,当激光穿过玻璃颗粒时,部分电场震荡方向的旋转会被玻璃颗粒接管,导致扭矩被转移至玻璃颗粒上,进而使玻璃颗粒转得越来越快。





图 | 偏振与自旋模型


为了测量旋转频率,科学家使用光电探测器分析光学镊子的激光。玻璃颗粒的转动会造成穿过颗粒的光强发生周期性变化。根据这种变化,Novotny 和他的同事计算出颗粒的旋转频率高于一千兆赫(每秒转十亿次)。Reimann 表示:“装置的实际转速可能比这更高,但我们目前所使用的光电探测器无法测量比这更高的频率,因此我们将购买可测频率更高的探测器。”


瑞士的研究团队希望能在新的探测器到货后测出高达 4 万兆赫的旋转频率,虽然纳米级的粒子可能在旋转进一步加速前就会爆炸,但没人知道爆炸究竟会在多高的转动频率下发生。从材料学的角度来看,只有几微米厚的光学玻璃纤维可承受巨大的拉力(是钢缆可承受的好几倍)。虽然能使转动器中的玻璃块破裂的巨大离心力究竟是多少还有待研究,但这种级别离心力将比地球的重力高数千亿倍,与中子星表面的引力不相上下。


这种测量对纳米研究来说极为重要,因为纳米材料的性质与宏观物体的性质有时会相差甚远(源于纳米材料的高纯度和低缺陷)。而目前人们也无法用宏观物体做出如此高的旋转频率,所以此项研究也具有着一定的实际意义。


普渡大学的李统藏说:“在物理学中,真空并不是真的什么都没有,有很多存在于理论中的粒子可能会以很短的时间出现。而通过制造最灵敏的扭转平衡装置,我们便能进一步探究这些粒子产生与消失的过程。”


这个方向的研究前景很大,甚至还能帮助科学家解释宇宙在微观和宏观尺度上的差异,使科学家进一步完善量子力学。除了这两支团队,还有许多团队也都在做类似的事,但这两支团队率先完成了数据整理,公布了研究成果,创下了旋转速度上的记录。

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