Repousser les limites imposées par la physique est un challenge quotidien pour les scientifiques. Au-delà de simplement briser des records, il s’agit également de créer de nouvelles conditions expérimentales afin de pouvoir tester des aspects de la physique encore inexplorés ou mal compris. En ayant construit le rotor le plus rapide du monde, une équipe de chercheurs espère pouvoir tester certaines prédictions de la mécanique quantique.

Ce nano-rotor, développé par des ingénieurs et physiciens de l’université de Purdue (Indiana), effectue 60 milliards de tours par minute ; c’est le rotor le plus rapide jamais construit jusqu’à maintenant, 100’000 fois plus rapide qu’une brosse à dents électrique moyenne.

Le dispositif pourrait servir à tester expérimentalement le fonctionnement de la gravité ou encore la friction dans le vide. « Cette invention a de multiples applications, dont la science des matériaux » explique Tongcang Li, physicien et auteur principal de l’étude. « Nous pouvons étudier la résistance des matériaux dans des conditions extrêmes ».

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nanoparticule silice laser vide

Le rotor est composé d’une nanoparticule de silice en forme d’haltère. Sur ces deux images en microscopie électronique, des rotors observés à 100 nm et 200 nm. Crédits : Tongcang Li & al.

Le rotor en forme d’haltère est composé d’une nanoparticule de silice et maintenu en lévitation dans le vide grâce à un laser. Le laser peut être polarisé en ligne droite ou en cercle, et c’est le mode circulaire qui génère les rotations. Avec une polarisation en ligne droite, le dispositif vibre plutôt que de tourner ; cela signifie qu’il peut également être utilisé pour mesurer des forces extrêmement faibles. Les deux modes de polarisation ont donc leur utilité.

polarisation laser nanoparticule

Le rotor est maintenu en lévitation dans le vide grâce à un laser polarisé. La polarisation en ligne droite génère des vibrations (gauche), tandis que la polarisation circulaire génère une rotation (droite). Crédits : Tongcang Li & al.

L’objet nanoparticulaire fait la taille d’une bactérie : 170 nm de largeur pour 320 nm de longueur. Il est donc invisible à l’œil nu. « Généralement, les gens disent qu’il n’y a rien dans le vide, mais en physique on sait que ce n’est pas le cas » explique Li. « Le vide est rempli de nombreuses particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent. Nous voulons mieux comprendre cette dynamique du vide, c’est pourquoi nous avons construit cette balance de torsion ultra-sensible ».

rotor dispositif experimental

Dispositif expérimental permettant d’étudier le nano rotor. Crédits : Vincent Walter

L’avantage d’une nanoparticule en rotation suspendue dans le vide est que cela permet d’effectuer des mesures extrêmement précises, non perturbées par les courants d’air ou les fluctuations de température. Bien qu’il s’agisse actuellement du rotor nanoparticulaire le plus rapide, cette équipe n’est pas la seule à travailler sur les particules en rotation dans le vide. Un tel dispositif ouvre une fenêtre d’exploration inestimable sur la dynamique de la matière à l’échelle quantique.

Source : Physical Review Letters

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