Новости науки 18.05.02. Вращая светом нанотрубку

Мы уже писали о микроустройствах, управляемых световым лучом . Однако частота вращения относительно таких - относительно больших - устройств мала (порядка нескольких герц). Американские исследователи утверждают, что быстро вращающиеся под действием света элементы микромашин могут быть созданы с использованием углеродных нанотрубок.

Благодаря своим уникальным механическим свойствам (высокой прочности и т.д.) и электронной структуре углеродные нанотрубки являются удобным конструктивным элементом для микромашин. Роли нанотрубок могут быть разнообразны - например, недавно мы писали о наноразмерных переключателях на основе углеродных нанотрубок. Также они могли бы служить вращающимимся элементами микроустройств, вопрос только в том, каким образом заставить нанотрубку крутиться. Американские ученые, теоретически рассмотрев этот вопрос, показали, что, воздействуя на нанотрубку циркулярно поляризованным светом, можно заставить ее вращаться с гигагерцовыми частотами [1].

Рис.1. Вращение углеродной нанотрубки (вверху) и свернутой в кольцо нанотрубки (внизу) с помощью циркулярно поляризованного излучения.

Если поместить углеродную нанотрубку в достаточно сильное лазерное поле с циркулярной поляризацией так, чтобы свет распространялся вдоль оси симметрии нанотрубки (рис.1), будет происходить возбуждение циркулярно поляризованных фононов в нанотрубке. При этом будет происходить передача момента импульса от фотонов фононам. Конечно, фононы являются колебаниями кристаллической решетки, а не движением нанотрубки как целого, поэтому возбуждение фононов, на первый взгляд, не должно приводить к вращению нанотрубки. Однако в твердых телах существует механизм, обеспечивающий возможность передачи импульса от квазичастиц твердому телу, как целому, - речь идет о так называемых процессах переброса. В отличие от настоящего импульса квазиимпульс может не сохраняться: при взаимодействии квазичастиц (в том числе и фононов) может иметь место ситуация, когда суммарный квазиимпульс импульс частиц до взаимодействия отличается от суммарного квазиимпульса частиц после взаимодействия на величину, соответствующую вектору обратной решетки. За счет подобных процессов переброса и будет происходить передача момента импульса от фононов углеродной нанотрубке как целому и, в результате, нанотрубка будет вращаться под действием света. Приводимые в движение светом углеродные нанотрубки можно будет использовать в качестве элементов наномоторов, центрифуг и т.д.

Конечно, в жидкости или газе при атмосферном давлении из-за взаимодействия с окружающими молекулами нанотрубки будут вращаться достаточно медленно, однако в вакууме можно достичь больших угловых скоростей. Расчеты показывают, что нанотрубка с радиусом 0.7 нм и длиной 1 мкм при напряженности электрического поля 10 кВ/м будет вращаться с частотой 28 ГГц. Стоит заметить, что при этом на поверхности нанотрубки"центробежное ускорение" будет порядка 10¹¹ g, что на несколько порядков превышает величину, достижимую в наиболее быстрых центрифугах.

Создание наноустройств с вращающимися элементами из нанотрубок - дело будущего, но эксперименты с вращением нанотрубок под действием света реально провести уже сейчас. Можно, например, вырастить отдельную нанотрубку на острие атомно-силового микроскопа и потом, отсоединив от острия с помощью электронного пучка, нанопинцетом поместить в оптическую ловушку, созданную двумя распространяющимися в противоположных направлениях лазерными лучами.

1. Petr Kral and H.R.Sadeghpour. Phys.Rev. B, v.65, 161401 (2002).

перейти к началу страницы