Objetos rotativos mais rápidos do mundo vão estudar vácuo e física quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/07/2018

A mera medição de uma velocidade tão alta exige o desenvolvimento de novos aparatos de laboratório [Imagem: Jonghoon Ahn et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.033602]

Bilhões de RPM

Duas equipes, trabalhando de forma independente, construíram os mecanismos rotativos mais rápidos do mundo - esses "nanomotores" giram a mais de 60 bilhões de rpm (rotações por minuto) - mais de um bilhão de giros por segundo.

As forças internas geradas pelo movimento são tão grandes que um dos grandes desafios para os experimentos foi selecionar o material mais adequado.

Por decorrência, dizem seus criadores, estes mecanismos poderão ser usados para medir e testar as propriedades de materiais naturais e artificiais postos sob forças extremas.

Rotações absurdamente rápidas também prometem viabilizar testes mais precisos das teorias fundamentais da física, incluindo uma forma quântica difícil de detectar do atrito rotacional e novas teorias da gravidade.

O progresso nesse campo também tem sido extremamente veloz: Há poucos anos, o objeto rotativo mais rápido do mundo atingia 600 milhões de rpm - 100 vezes menos.

Teste de materiais

O primeiro experimento foi feito por René Reimann e colegas do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (ETH).

Eles usaram pinças ópticas a laser para levitar uma nanopartícula de sílica de 100 nanômetros de diâmetro e outro feixe de laser com luz polarizada para fazê-la girar - é o mesmo mecanismo usado no raio trator a laser.

O campo elétrico rotativo da luz polarizada circularmente exerce uma torção porque o campo induz uma polarização - uma mudança de carga - na partícula, o que lhe dá um eixo preferencial, um eixo que permanece alinhado com o campo rotativo.

Reimann explica que as rotações atingidas são mais rápidas do que qualquer coisa vista na engenharia comum. Por exemplo, os ventiladores de um caça a jato giram a menos de 1.000 rotações por segundo porque podem se esfarelar se girarem mais rápido. A nanopartícula pode girar muito mais rápido apenas porque é muito pequena, embora as velocidades de rotação atingidas se aproximem do ponto de ruptura da sílica.

Duas partículas girando juntas formam uma balança de torção, que permite estudar o vácuo quântico. [Imagem: Jonghoon Ahn et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.033602]

Teste de teorias físicas

Jonghoon Ahn e colegas da Universidade Purdue, nos EUA, por sua vez, usaram um nano-objeto de formato alongado, similar a um haltere, com 170 nanômetros de largura e 320 nanômetros de comprimento.

Do mesmo modo que a equipe suíça, Ahn usou pinças de laser e luz polarizada circularmente para girar o haltere, alcançando cerca de um bilhão de rotações por segundo.

Apenas mudar a forma do objeto abre novas possibilidades de experimentação.

Quando a equipe prendeu o haltere com luz polarizada linearmente, na qual a direção do campo elétrico permanece fixa, eles conseguiram medir as pequenas oscilações da partícula sobre a direção do campo. Esse tipo de experimento pode permitir a observação do chamado torque de Casimir, um efeito de atrito na rotação de objetos associados às partículas virtuais do vácuo quântico.

"As pessoas dizem que não há nada no vácuo, mas na física sabemos que ele não é realmente vazio. Há muitas partículas virtuais que podem durar por um curto período de tempo e depois desaparecer. Queremos descobrir o que realmente está acontecendo lá, e é por isso que queremos construir a mais sensível balança de torção," disse o professor Tongcang Li.

Além de testar o que acontece no vácuo, o mecanismo poderá ajudar a testar teorias quânticas da gravidade.

Bibliografia:

GHz Rotation of an Optically Trapped Nanoparticle in Vacuum
René Reimann, Michael Doderer, Erik Hebestreit, Rozenn Diehl, Martin Frimmer, Dominik Windey, Felix Tebbenjohanns, Lukas Novotny
Physical Review Letters
Vol.: 121, 033602
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.033602

Optically Levitated Nanodumbbell Torsion Balance and GHz Nanomechanical Rotor
Jonghoon Ahn, Zhujing Xu, Jaehoon Bang, Yu-Hao Deng, Thai M. Hoang, Qinkai Han, Ren-Min Ma, Tongcang Li
Physical Review Letters
Vol.: 121, 033603
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.033603