![]() |
||
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].
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).
| ||
|