Fysikere skubber til atomer inden for mindre end en billiontedel af et sekund

Forskere fra Regensburg og Zürich har fundet en fascinerende måde at skubbe et atom med kontrollerede kræfter så hurtigt, at de kan koreografere bevægelsen af ​​et enkelt molekyle inden for mindre end en billiontedel af et sekund. Den ekstremt skarpe nål i deres unikke ultrahurtige mikroskop tjener som det tekniske grundlag:Det scanner omhyggeligt molekyler, ligner en pladespiller. Fysikere ved Universitetet i Regensburg viste nu, at lysende lysimpulser på denne nål kan omdanne den til en ultrahurtig "atomhånd". Dette gør det muligt at styre molekyler – og nye teknologier kan inspireres.

Atomer og molekyler er bestanddele af stort set alt stof, der omgiver os. Interagere med hinanden i henhold til kvantemekanikkens regler, de danner komplekse systemer med en uendelig række af funktioner. For at undersøge kemiske reaktioner, biologiske processer i en celle, eller nye måder at høste solenergi på, videnskabsmænd ville elske ikke kun at observere individuelle molekyler, men selv kontrollere dem.

Mest intuitivt, mennesker lærer ved haptisk udforskning, såsom at skubbe, trækker, eller tappe. Naturligt, vi er vant til makroskopiske objekter, som vi direkte kan røre ved, klemme eller skubbe ved at udøve kræfter. Tilsvarende atomer og molekyler interagerer via kræfter, men disse kræfter er ekstreme i flere henseender. Først, kræfterne, der virker mellem atomer og molekyler, opstår i ekstremt små længder. Faktisk, disse genstande er så små, at en speciel længdeskala er blevet indført for at måle dem:1 Ångström (1Å =0,000, 000, 000, 1 m). Sekund, på samme tid, atomer og molekyler bevæger sig og vrikker ekstremt hurtigt rundt. Faktisk, deres bevægelse foregår hurtigere end picosekunder (1 ps =0,000, 000, 000, 001 s). Derfor, at styre et molekyle direkte under dets bevægelse, der kræves et værktøj til at generere ultrahurtige kræfter på atomær skala.

Ultrahurtige tidsskalaer

For mere end 30 år siden, Eigler og Schweizer viste, at med et scanning tunnelmikroskop er det muligt at udøve statiske kræfter på individuelle atomer. I et sådant mikroskop, en ekstrem skarp nål bruges til at registrere atomer og molekyler ved at scanne hen over dem, ligner en pladespiller. Et team af forskere fra Regensburg og Zürich har nu tacklet udfordringen med at gøre sådanne kræfter hurtige nok til direkte at styre et molekyle under dets bevægelse og derved manipulere reaktioner og overgange. Regensburg-teamet omkring Rupert Huber og Jascha Repp bygget på et verdensomspændende unikt ultrahurtigt mikroskop, der kombinerer femtosekund-laserimpulser, giver adgang til ultrahurtige tidsskalaer, med scanning tunneling mikroskopi, som er i stand til at afbilde individuelle molekyler.

Holdet viste, at da lys er en elektromagnetisk bølge, dens oscillerende bærebølge kunne fungere som en ultrahurtig kraft, hurtigere end en svingningscyklus af lysfeltet. Da de påførte ultrahurtige lysbølger på mikroskopets atomnål, de kunne faktisk udøve en ultrahurtig kraft lokalt, i de enkelte områder af molekylet. "På denne måde vi kan bruge den lyseksponerede nål som en ultrahurtig atomskala 'hånd' til at skubbe enkelte atomer af molekylet, " forklarer Dominik Peller, hovedforfatteren af ​​den nye undersøgelse.

Holdet observerede, at de ultrahurtige atomkræfter var stærke nok til at udløse en vibration af molekylet. Denne bevægelse var så kraftig, at den ændrede molekylets skiftsandsynlighed med op til 39 %. Dominik Peller udtalte, oprigtigt imponeret:"Vi kunne styre amplituden og retningen af ​​vibrationen efter ønske, og derved modulere reaktionssandsynligheden for molekylet på femtosekundskalaen."

Kontrol over molekylære reaktioner

I øvrigt, det viste sig, at kun når "atomhånden" påfører ultrahurtige kræfter til meget specifikke områder af molekylet, det fremkalder vibrationsbevægelsen. Som holdet lærte af en sammenligning med en kvantemekanisk beregning udført af Nikolaj Moll i Zürich, dette skyldes, at molekylet kroger ind i overfladen via nøgleatomer. Kun når der påføres ultrahurtige kræfter på disse særlige atomer, forskerne kunne selektivt styre molekylets vibration.

Denne udvikling giver endelig kontrol over molekylære reaktioner på den mest direkte måde. Ultrahurtige atomkræfter forventes at hjælpe med at forstå og manipulere nøgleprocesser inden for kemi og biologi for at inspirere fremtidige teknologier baseret på enkeltmolekylære enheder. På denne måde den allestedsnærværende ultrahurtige bevægelse af den elementære bestanddel af stof kan ikke kun observeres, men kontrolleret og udnyttet med hidtil uset præcision.