最近，DT 君被世界最快的轉(zhuǎn)子的相關(guān)報道刷了屏。但是，其實這個“世界最快的轉(zhuǎn)子”發(fā)表的論文不是一篇，而是兩篇。

本月 20 日，兩個科研團隊同時在“物理評論快報（Physics Review Lette顆粒機rs）”上發(fā)表了他們的研究成果，實現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘 600 億圈，比牙醫(yī)使用的鉆頭轉(zhuǎn)速快 10 萬倍的納米級旋轉(zhuǎn)裝置。

兩個團隊的發(fā)明打破了物理上人類可實現(xiàn)的極限，并將助力與材料學(xué)、量子力學(xué)和真空顆粒機環(huán)境有關(guān)的研究。

這兩個團隊分別是由印第安納州普渡大學(xué)、北京大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員構(gòu)成的合作研究團隊，以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊。值得一提的是，兩組團隊在設(shè)計上使用的方法相似，都是借助（肉眼不可顆粒機見的）納米級物體和變壓真空環(huán)境實現(xiàn)的超高轉(zhuǎn)速。

其中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授 Lukas Novotny 及其團隊采用了一塊比人的一根頭發(fā)還要小 1000 倍，長只有一百納米的玻璃。而普渡大學(xué)的李統(tǒng)藏團顆粒機隊則使用了一塊約 170 納米寬，320 納米長的二氧化硅作為旋轉(zhuǎn)物體。

普渡大學(xué)的研究人員表示：“事實上，我們研究的是一些更為基礎(chǔ)的內(nèi)容，例如重力和摩擦力在真空環(huán)境中如何作用在轉(zhuǎn)動的物體上。目前，我們顆粒機的納米轉(zhuǎn)動裝置已經(jīng)做好準(zhǔn)備，隨時可以開始對此類問題進行詳細(xì)的調(diào)查。”

普渡大學(xué)高級研究員李統(tǒng)藏說：“這項研究有許多應(yīng)用方向，比如研究不同材料能夠存在的極端條件?！?/p>

普渡大學(xué)的旋轉(zhuǎn)器由納米級的二氧化硅組成，顆粒機形狀與啞鈴類似，用激光使二氧化硅旋轉(zhuǎn)體懸浮于真空中。

圖 | 普渡大學(xué)旋轉(zhuǎn)裝置外貌

瑞士 Lukas Novotny 團隊里的博士后，RenéReimann 解釋道：“使物體以如此高的速度快速旋轉(zhuǎn)并不容易顆粒機，這也是為什么我們要用光學(xué)鑷子（剛才提到的激光）將玻璃顆粒（瑞士研究團隊使用的旋轉(zhuǎn)物體）捕獲在真空設(shè)備中?！?/p>

圖 | 蘇黎世聯(lián)邦理工的旋轉(zhuǎn)裝置外貌

光學(xué)鑷子由強聚焦激光束產(chǎn)生，研究對象會被光束焦點處的光力顆粒機懸浮在真空中，使科學(xué)家們可以消除旋轉(zhuǎn)物體與外界的力學(xué)上的接觸，減少由摩擦帶來的能量損耗。另外，真空設(shè)備中的壓力比海平面的正常氣壓低一億億倍，這意味著單個空氣分子很少與研究對象發(fā)生碰撞，進而避免轉(zhuǎn)動減速顆粒機。

激光的偏振可為直線形和圓形，而圓形偏振則意味著激光的電場振蕩的向不恒定，會發(fā)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。在蘇黎世聯(lián)邦理工的研究中，當(dāng)激光穿過玻璃顆粒時，部分電場震蕩方向的旋轉(zhuǎn)會被玻璃顆粒接管，導(dǎo)致扭矩被轉(zhuǎn)移至玻璃顆粒機顆粒上，進而使玻璃顆粒轉(zhuǎn)得越來越快。

圖 | 偏振與自旋模型

為了測量旋轉(zhuǎn)頻率，科學(xué)家使用光電探測器分析光學(xué)鑷子的激光。玻璃顆粒的轉(zhuǎn)動會造成穿過顆粒的光強發(fā)生周期性變化。根據(jù)這種變化，Novotny 和他顆粒機的同事計算出顆粒的旋轉(zhuǎn)頻率高于一千兆赫（每秒轉(zhuǎn)十億次）。Reimann 表示：“裝置的實際轉(zhuǎn)速可能比這更高，但我們目前所使用的光電探測器無法測量比這更高的頻率，因此我們將購買可測頻率更高的探測器?！?/p>

瑞顆粒機士的研究團隊希望能在新的探測器到貨后測出高達(dá) 4 萬兆赫的旋轉(zhuǎn)頻率，雖然納米級的粒子可能在旋轉(zhuǎn)進一步加速前就會爆炸，但沒人知道爆炸究竟會在多高的轉(zhuǎn)動頻率下發(fā)生。從材料學(xué)的角度來看，只有幾微米厚的光學(xué)玻顆粒機璃纖維可承受巨大的拉力（是鋼纜可承受的好幾倍）。雖然能使轉(zhuǎn)動器中的玻璃塊破裂的巨大離心力究竟是多少還有待研究，但這種級別離心力將比地球的重力高數(shù)千億倍，與中子星表面的引力不相上下。

這種測量對納米研究來顆粒機說極為重要，因為納米材料的性質(zhì)與宏觀物體的性質(zhì)有時會相差甚遠(yuǎn)（源于納米材料的高純度和低缺陷）。而目前人們也無法用宏觀物體做出如此高的旋轉(zhuǎn)頻率，所以此項研究也具有著一定的實際意義。

普渡大學(xué)的李統(tǒng)藏說：“顆粒機在物理學(xué)中，真空并不是真的什么都沒有，有很多存在于理論中的粒子可能會以很短的時間出現(xiàn)。而通過制造最靈敏的扭轉(zhuǎn)平衡裝置，我們便能進一步探究這些粒子產(chǎn)生與消失的過程?！?/p>

這個方向的研究前景很大，甚至還能幫助顆粒機科學(xué)家解釋宇宙在微觀和宏觀尺度上的差異，使科學(xué)家進一步完善量子力學(xué)。除了這兩支團隊，還有許多團隊也都在做類似的事，但這兩支團隊率先完成了數(shù)據(jù)整理，公布了研究成果，創(chuàng)下了旋轉(zhuǎn)速度上的記錄。