Parece imposible observar en tiempo real las vibraciones mecánicas de un nanotubo de carbono. Se publica en Nature este hito gracias a acoplarlo a una microcavidad óptica de nitruro de silicio de escala micrométrica. Se logra una sensibilidad de 700 fm/√Hz, que permite explorar la dinámica no lineal de las vibraciones del nanotubo en el límite browniano (cuando las vibraciones están dominadas por las fluctuaciones térmicas). Las aplicaciones potenciales en nanofotónica son muy sugerentes.

Un nanotubo de carbono tiene un diámetro entre 2 y 5 nm (nanómetros). En este estudio se han usado nanotubos de carbono con una longitud entre 5 y 15 μm. Cada nanotubo se coloca a menos de 100 nm de distancia sobre la microcavidad óptica usando unas micropinzas de oro (a la que está ligado por fuerzas van der Waals). La microcavidad óptica de alta Q (unos 1.5 millones) está formada por un microdisco de nitruro de silicio (Si₃N₄) de 15 μm de radio y 320 nm de grosor. La luz con longitud de onda 1.59 μm se acopla dentro y fuera de la cavidad óptica a través de una fibra óptica cónica y se usa un fotodiodo para detectar el efecto de las vibraciones mecánicas del nanotubo gracias a los modos evanescentes en la microcavidad óptica.

El artículo es Arthur W. Barnard, Mian Zhang, …, Paul L. McEuen, «Real-time vibrations of a carbon nanotube,» Nature (21 Jan 2019), doi: 10.1038/s41586-018-0861-0.

Esta figura (superior izquierda) muestra cómo cambia la transmisión óptica en la microcavidad conforme se acerca el nanotubo de carbono. Se observa que el nanotubo absorbe hasta un 50% de la luz que entra en la cavidad. Al mismo tiempo, se observa un cambio de frecuencia de la cavidad de δf = 100 MHz causada por el cambio de su índice refracción debido al nanotubo. Las medidas de la vibración del nanotubo muestran una oscilación a una frecuencia f  ≈ 700 kHz (figura inferior) que corresponde al movimiento térmico, o browniano, del nanotubo. Esta señal empieza a ser observada cuando el nanotubo se encuentra en una distancia inferior a 300 nm de la cavidad (lo que se puede considerar un efecto de campo lejano asociado a los modos evanescentes).

Esta figura muestra mediciones en tiempo real de las vibraciones mecánicas de otro nanotubo (incluyendo su espectro de frecuencias en la parte inferior). Las oscilaciones dominantes tienen un período de 1.5 μs y su amplitud es casi constante en escalas de tiempo de 0.5 ms, pero varía mucho para escalas de tiempo más grandes. La amplitud cuadrático-media de la vibración es de 14 nm, que equivale a una constante de un muelle de k =  2 × 10⁻⁵ N /m y una masa del nanotubo de m = 1.5 fg, lo que indica un diámetro inferior a 7 nm.

La observación de un comportamiento cuasiperiódico (casi caótico) ha sido toda una sorpresa. Se explica por la existencia de efectos no lineales que no se esperaban. Este comportamiento causiperiódico recuerda al fenómeno de recurrencia que se observa en el problema de Fermi, Pasta, Ulam y Tsingou (FPUT); sus simulaciones por ordenador de sistemas de osciladores no lineales acoplados mostraron que la hipótesis ergódica de la mecánica estadística no es aplicable a sistemas mecánicos no lineales. Los autores de este trabajo opinan que la cuasiperiodicidad de las oscilaciones del nanotubo de carbono tienen un origen similar. Por ello han realizado simulaciones numéricas que parecen mostrar un comportamiento similar al observado.

En resumen, se han observado por primera vez en tiempo real las oscilaciones mecánicas de un nanotubo de carbono en el límite browniano. Los resultados muestran una cuasiperiodicidad que podría tener su origen en efectos no lineales. Se necesita una explicación futura. Sin lugar a dudas, la primera observación de un fenómeno aún no explorado, aunque sea simple en apariencia, muchas veces ofrece nuevas incógnitas. Sin lugar a dudas este tipo de estudios nos ayudarán a entender mejor la nanomecánica de muchos sistemas moleculares, como polímeros semiflexibles, que podría tener futuras aplicaciones prácticas.