Wetenschappers uit Regensburg en Zürich hebben een fascinerende manier gevonden om een ​​atoom met gecontroleerde krachten zo snel voort te stuwen dat ze de beweging van een enkel molecuul in minder dan een biljoenste van een seconde kunnen choreograferen. De extreem scherpe naald van hun unieke ultrasnelle microscoop dient als technische basis:het scant zorgvuldig moleculen, vergelijkbaar met een platenspeler. Natuurkundigen van de Universiteit van Regensburg toonden nu aan dat stralende lichtpulsen op deze naald deze kunnen transformeren in een ultrasnelle 'atomaire hand'. Hierdoor kunnen moleculen worden aangestuurd en kunnen nieuwe technologieën worden geïnspireerd.

Atomen en moleculen zijn de bestanddelen van vrijwel alle materie die ons omringt. Met elkaar omgaan volgens de regels van de kwantummechanica, ze vormen complexe systemen met een oneindige verscheidenheid aan functies. Om chemische reacties te onderzoeken, biologische processen in een cel, of nieuwe manieren om zonne-energie te oogsten, wetenschappers zouden graag niet alleen individuele moleculen observeren, maar beheer ze zelfs.

Het meest intuïtief, mensen leren door haptische verkenning, zoals duwen, trekken, of tikken. Van nature, we zijn gewend aan macroscopische objecten die we direct kunnen aanraken, knijpen of duwen door krachten uit te oefenen. evenzo, atomen en moleculen interageren via krachten, maar deze krachten zijn in meerdere opzichten extreem. Eerst, de krachten die tussen atomen en moleculen werken, treden op bij extreem kleine lengtes. In feite, deze objecten zijn zo klein dat er een speciale lengteschaal is ingevoerd om ze te meten:1 Ångström (1Å =0.000, 000, 000, 1 meter). Tweede, tegelijkertijd, atomen en moleculen bewegen en wiebelen extreem snel. In feite, hun beweging vindt sneller plaats dan picoseconden (1 ps =0.000, 000, 000, 001s). Vandaar, om een ​​molecuul direct te sturen tijdens zijn beweging, er is een tool nodig om ultrasnelle krachten op atomaire schaal te genereren.

Ultrasnelle tijdschalen

Meer dan 30 jaar geleden, Eigler en Schweizer toonden aan dat het met een scanning tunneling microscoop mogelijk is om statische krachten uit te oefenen op individuele atomen. In zo'n microscoop een extreem scherpe naald wordt gebruikt om atomen en moleculen waar te nemen door er overheen te scannen, vergelijkbaar met een platenspeler. Een team van wetenschappers uit Regensburg en Zürich is nu de uitdaging aangegaan om dergelijke krachten snel genoeg te maken om een ​​molecuul tijdens zijn beweging direct te sturen en daardoor reacties en overgangen te manipuleren. Het Regensburg-team rond Rupert Huber en Jascha Repp bouwde op een wereldwijd unieke ultrasnelle microscoop die femtoseconde laserpulsen combineert, toegang geven tot ultrasnelle tijdschalen, met scanning tunneling microscopie, die in staat is om individuele moleculen in beeld te brengen.

Het team liet zien dat aangezien licht een elektromagnetische golf is, zijn oscillerende draaggolf zou kunnen werken als een ultrasnelle kracht, sneller zelfs dan één oscillerende cyclus van het lichtveld. Toen ze ultrasnelle lichtgolven toepasten op de atoomnaald van de microscoop, ze kunnen inderdaad plaatselijk een ultrasnelle kracht uitoefenen, in afzonderlijke delen van het molecuul. "Op deze manier, we kunnen de aan licht blootgestelde naald gebruiken als een ultrasnelle 'hand' op atoomschaal om afzonderlijke atomen van het molecuul te duwen, " legt Dominik Peller uit, de hoofdauteur van de nieuwe studie.

Het team merkte op dat de ultrasnelle atoomkrachten sterk genoeg waren om een ​​trilling van het molecuul teweeg te brengen. Deze beweging was zo krachtig dat het de schakelkans van het molecuul met wel 39% veranderde. Dominik Peller verklaarde, echt onder de indruk:"We konden de amplitude en de richting van de trilling naar believen regelen, en daardoor de reactiewaarschijnlijkheid van het molecuul op de femtoseconde schaal moduleren."

Controle over moleculaire reacties

Bovendien, het bleek dat alleen wanneer de "atomaire hand" ultrasnelle krachten toepast op zeer specifieke gebieden van het molecuul, het induceert de trillingsbeweging. Zoals het team leerde van een vergelijking met een kwantummechanische berekening uitgevoerd door Nikolaj Moll in Zürich, dit komt omdat het molecuul via sleutelatomen in het oppervlak haakt. Alleen bij het toepassen van ultrasnelle krachten op deze specifieke atomen, de wetenschappers konden selectief de vibratie van het molecuul sturen.

Deze ontwikkeling geeft eindelijk op de meest directe manier controle over moleculaire reacties. Van ultrasnelle atoomkrachten wordt verwacht dat ze helpen bij het begrijpen en manipuleren van belangrijke processen in de chemie en biologie om toekomstige technologieën op basis van apparaten met één molecuul te inspireren. Op deze manier, de alomtegenwoordige ultrasnelle beweging van het elementaire bestanddeel van materie kan niet alleen worden waargenomen, maar gecontroleerd en ingezet met ongekende precisie.