Forskare från Regensburg och Zürich har hittat ett fascinerande sätt att trycka en atom med kontrollerade krafter så snabbt att de kan koreografera rörelsen hos en enda molekyl på mindre än en biljondels sekund. Den extremt vassa nålen i deras unika ultrasnabba mikroskop tjänar som den tekniska grunden:Den skannar noggrant molekyler, liknar en skivspelare. Fysiker vid universitetet i Regensburg visade nu att lysande ljuspulser på denna nål kan förvandla den till en ultrasnabb "atomär hand". Detta gör att molekyler kan styras – och ny teknik kan inspireras.

Atomer och molekyler är beståndsdelar i praktiskt taget all materia som omger oss. Interagerar med varandra enligt kvantmekanikens regler, de bildar komplexa system med en oändlig mängd funktioner. För att undersöka kemiska reaktioner, biologiska processer i en cell, eller nya sätt att skörda solenergi, forskare skulle älska att inte bara observera enskilda molekyler, men även kontrollera dem.

Mest intuitivt, människor lär sig genom haptisk utforskning, som att trycka, dragande, eller knacka. Naturligtvis, vi är vana vid makroskopiska föremål som vi direkt kan röra vid, klämma eller knuffa genom att utöva krafter. Liknande, atomer och molekyler samverkar via krafter, men dessa krafter är extrema i flera avseenden. Först, krafterna som verkar mellan atomer och molekyler uppstår vid extremt små längder. Faktiskt, dessa föremål är så små att en speciell längdskala har införts för att mäta dem:1 Ångström (1Å =0,000, 000, 000, 1 m). Andra, på samma gång, atomer och molekyler rör sig och vickar runt extremt snabbt. Faktiskt, deras rörelse sker snabbare än pikosekunder (1 ps =0,000, 000, 000, 001 s). Därav, att direkt styra en molekyl under dess rörelse, ett verktyg krävs för att generera ultrasnabba krafter på atomär skala.

Ultrasnabba tidsskalor

För mer än 30 år sedan, Eigler och Schweizer visade att med ett scanning tunnelmikroskop är det möjligt att utöva statiska krafter på enskilda atomer. I ett sådant mikroskop, en extremt vass nål används för att känna av atomer och molekyler genom att skanna över dem, liknar en skivspelare. Ett team av forskare från Regensburg och Zürich har nu tagit sig an utmaningen att göra sådana krafter tillräckligt snabba för att direkt styra en molekyl under dess rörelse och därigenom manipulera reaktioner och övergångar. Regensburg-teamet runt Rupert Huber och Jascha Repp byggde på ett världsomspännande ultrasnabbt mikroskop som kombinerar femtosekundlaserpulser, ger tillgång till ultrasnabba tidsskalor, med scanning tunnelmikroskopi, som kan avbilda enskilda molekyler.

Teamet visade att eftersom ljus är en elektromagnetisk våg, dess oscillerande bärvåg kan fungera som en ultrasnabb kraft, snabbare än en oscillerande cykel av ljusfältet. När de applicerade ultrasnabba ljusvågor på mikroskopets atomnål, de kunde verkligen utöva en ultrasnabb kraft lokalt, i enskilda regioner av molekylen. "På det här sättet, vi kan använda den ljusexponerade nålen som en ultrasnabb atomskala "hand" för att trycka enstaka atomer i molekylen, " förklarar Dominik Peller, huvudförfattaren till den nya studien.

Teamet observerade att de ultrasnabba atomkrafterna var tillräckligt starka för att utlösa en vibration av molekylen. Denna rörelse var så kraftig att den förändrade molekylens sannolikhet för byte med upp till 39 %. Dominik Peller sa, genuint imponerad:"Vi kunde styra amplituden och riktningen på vibrationerna efter behag, och därigenom modulera reaktionssannolikheten för molekylen på femtosekundskalan."

Kontroll över molekylära reaktioner

Dessutom, det visade sig att endast när "atomhanden" applicerar ultrasnabba krafter på mycket specifika områden av molekylen, det inducerar vibrationsrörelsen. Som teamet lärde sig från en jämförelse med en kvantmekanisk beräkning utförd av Nikolaj Moll i Zürich, detta beror på att molekylen hakar fast i ytan via nyckelatomer. Endast när ultrasnabba krafter appliceras på dessa speciella atomer, forskarna kunde selektivt styra molekylens vibration.

Denna utveckling ger slutligen kontroll över molekylära reaktioner på det mest direkta sättet. Ultrasnabba atomkrafter förväntas hjälpa till att förstå och manipulera nyckelprocesser inom kemi och biologi för att inspirera framtida teknologier baserade på enheter med en enda molekyl. På det här sättet, den allestädes närvarande ultrasnabba rörelsen av materiens elementära beståndsdel kan inte bara observeras, men kontrolleras och utnyttjas med oöverträffad precision.