Övergångar som sker i nanoskala system, såsom en kemisk reaktion eller vikning av ett protein, påverkas starkt av friktion och termiskt brus. För nästan 80 år sedan, den holländska fysikern Hendrik Kramers förutspådde att sådana övergångar sker oftast vid mellanliggande friktion, en effekt som kallas Kramers omsättning. Nu, rapporterar in Naturnanoteknik , ett team av forskare från ETH Zürich, ICFO i Barcelona och universitetet i Wien har mätt denna effekt för en laserfångad partikel, direkt bekräftar Kramers förutsägelse i ett experiment för första gången.

År 1827, den engelska botanisten Robert Brown gjorde en observation av till synes liten betydelse som skulle visa sig spela en central roll i utvecklingen av atomteorin om materia. Tittar igenom målet med ett mikroskop, han märkte att pollenkorn som flyter i vatten ständigt jiggade runt som om de drivs av en osynlig kraft, ett fenomen som nu kallas Brownian motion. Det förstods senare att den oregelbundna rörelsen hos pollenpartikeln orsakas av den oupphörliga buffringen av vattenmolekylerna som omger pollenpartikeln. Albert Einsteins teoretiska analys av detta fenomen gav avgörande bevis för förekomsten av atomer. Pollenkornets kollisioner med vattenmolekylerna har två viktiga effekter på spannmålets rörelse. Å ena sidan, de genererar friktion som bromsar partikeln och, på samma gång, deras termiska omrörning håller partikeln i rörelse. Brownisk rörelse är resultatet av balansen mellan dessa konkurrerande krafter.

Friktion och termisk rörelse orsakad av miljön påverkar också djupt övergångar mellan långlivade tillstånd, till exempel fasövergångar som frysning eller smältning. De långlivade staterna, t.ex. olika faser av ett material eller olika kemiska arter, separeras av en högenergibarriär som schematiskt visas i illustrationen. Barriären mellan brunnarna hindrar det fysiska systemet från att snabbt konvertera mellan de två tillstånden. Som en konsekvens, systemet tillbringar större delen av sin tid med att skramla runt i en av brunnarna och hoppar bara sällan från en brunn till den andra. Sådana övergångar är viktiga för många processer inom natur och teknik, allt från fasövergångar till kemiska reaktioner och vikning av proteiner.

Friktionens oväntade inflytande på övergångar

Hur ofta, sedan, händer sådana sällsynta barriärövergångshändelser? Detta är den fråga som den nederländska fysikern Hendrik Kramers teoretiskt tog upp redan 1940. Med hjälp av ett enkelt modellsystem, han visade matematiskt att hastigheten med vilken övergångar sker snabbt minskar med växande barriärhöjd. Mer överraskande, Kramers förutspådde att övergångshastigheten också beror på friktionen på ett mycket intressant sätt. För stark friktion, systemet rör sig trögt vilket leder till en liten övergångshastighet. När friktionen minskar, systemet rör sig mer fritt och övergångshastigheten växer. Vid tillräckligt låg friktion, dock, övergångshastigheten börjar minska igen eftersom det i detta fall tar lång tid för systemet att hämta tillräckligt med energi från omgivningen för att övervinna barriären. Det resulterande maxvärdet för övergångshastigheten vid mellanliggande friktion kallas Kramers omsättning.

Mätning av Kramers förutsägelse med laserfångade nanopartiklar

I en internationell gemensam insats, forskare från ETH Zürich, ICFO i Barcelona och universitetet i Wien har nu lyckats direkt observera Kramers omsättning för en leviterad nanopartikel. I deras experiment, en nanopartikel hålls i en laserfälla med två brunnar åtskilda av en energibarriär som visas på bilden. Precis som pollenkornet som Brown observerade, nanopartikeln kolliderar ständigt med molekylerna som omger den och dessa slumpmässiga interaktioner skjuter ibland nanopartikeln över barriären. Genom att övervaka nanopartikelns rörelse över tid, forskarna bestämde hur snabbt nanopartiklarna hoppar mellan brunnarna för ett stort antal friktioner, som kan justeras exakt genom att justera trycket i gasen runt nanopartikeln. Hastigheten från deras experiment bekräftar tydligt den omsättning som Kramers förutspådde för nästan 80 år sedan. "Dessa resultat förbättrar vår förståelse av friktion och termisk rörelse i nanoskala och kommer att vara till hjälp vid design och konstruktion av framtida nanodatorer, "säger Christoph Dellago, en av författarna till studien.