最近，DT 君被世界最快的轉子的相關報導刷了屏。但是，其實這個「世界最快的轉子」發表的論文不是一篇，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 Letters）」上發表了他們的研究成果，實現了一種轉速高達每分鐘 600 億圈，比牙醫使用的鑽頭轉速快 10 萬倍的納米級旋轉裝置。
兩個團隊的發明打破了物理上人類可實現的極限，並將助力與材料學、量子力學和真空環境有關的研究。
這兩個團隊分別是由印第安納州普渡大學、北京大學和清華大學的研究人員構成的合作研究團隊，以及蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊。值得一提的是，兩組團隊在設計上使用的方法相似，都是藉助（肉眼不可見的）納米級物體和變壓真空環境實現的超高轉速。
其中，蘇黎世聯邦理工學院教授 Lukas Novotny 及其團隊採用了一塊比人的一根頭髮還要小 1000 倍，長只有一百納米的玻璃。而普渡大學的李統藏團隊則使用了一塊約 170 納米寬，320 納米長的二氧化矽作為旋轉物體。
普渡大學的研究人員表示：「事實上，我們研究的是一些更為基礎的內容，例如重力和摩擦力在真空環境中如何作用在轉動的物體上。目前，我們的納米轉動裝置已經做好準備，隨時可以開始對此類問題進行詳細的調查。」
普渡大學高級研究員李統藏說：「這項研究有許多應用方向，比如研究不同材料能夠存在的極端條件。」
普渡大學的旋轉器由納米級的二氧化矽組成，形狀與啞鈴類似，用雷射使二氧化矽旋轉體懸浮於真空中。
圖 | 普渡大學旋轉裝置外貌
瑞士 Lukas Novotny 團隊裡的博士後，RenéReimann 解釋道：「使物體以如此高的速度快速旋轉並不容易，這也是為什麼我們要用光學鑷子（剛才提到的雷射）將玻璃顆粒（瑞士研究團隊使用的旋轉物體）捕獲在真空設備中。」
圖 | 蘇黎世聯邦理工的旋轉裝置外貌
光學鑷子由強聚焦雷射束產生，研究對象會被光束焦點處的光力懸浮在真空中，使科學家們可以消除旋轉物體與外界的力學上的接觸，減少由摩擦帶來的能量損耗。另外，真空設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生碰撞，進而避免轉動減速。
雷射的偏振可為直線形和圓形，而圓形偏振則意味著雷射的電場振蕩的向不恆定，會發生連續的旋轉。在蘇黎世聯邦理工的研究中，當雷射穿過玻璃顆粒時，部分電場震蕩方向的旋轉會被玻璃顆粒接管，導致扭矩被轉移至玻璃顆粒上，進而使玻璃顆粒轉得越來越快。
圖 | 偏振與自旋模型
為了測量旋轉頻率，科學家使用光電探測器分析光學鑷子的雷射。玻璃顆粒的轉動會造成穿過顆粒的光強發生周期性變化。根據這種變化，Novotny 和他的同事計算出顆粒的旋轉頻率高於一千兆赫（每秒轉十億次）。Reimann 表示：「裝置的實際轉速可能比這更高，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。」
瑞士的研究團隊希望能在新的探測器到貨後測出高達 4 萬兆赫的旋轉頻率，雖然納米級的粒子可能在旋轉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動頻率下發生。從材料學的角度來看，只有幾微米厚的光學玻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說極為重要，因為納米材料的性質與宏觀物體的性質有時會相差甚遠（源於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頻率，所以此項研究也具有著一定的實際意義。
普渡大學的李統藏說：「在物理學中，真空並不是真的什麼都沒有，有很多存在於理論中的粒子可能會以很短的時間出現。而通過製造最靈敏的扭轉平衡裝置，我們便能進一步探究這些粒子產生與消失的過程。」
這個方向的研究前景很大，甚至還能幫助科學家解釋宇宙在微觀和宏觀尺度上的差異，使科學家進一步完善量子力學。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據整理，公布了研究成果，創下了旋轉速度上的記錄。
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編輯：Peter
校審：戴青
參考：https://www.sciencealert.com/fastest-human-made-spinning-object-could-unlock-quantum-mechanics
https://phys.org/news/2018-07-world-fastest-rotation.html
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.033602
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.033603