來自雷根斯堡和蘇黎世的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種引人入勝的方法，可以用受控的力快速推動(dòng)原子，從而可以在不到一萬億分之一秒的時(shí)間內(nèi)編排單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。其獨(dú)特的超快顯微鏡的極尖的針用作技術(shù)基礎(chǔ)：它類似于電唱機(jī)，仔細(xì)掃描分子。雷根斯堡大學(xué)的物理學(xué)家現(xiàn)在表明，將光脈沖照射到該針上可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌斓?ldquo;原子手”。這樣可以控制分子，并可以激發(fā)新技術(shù)。

原子和分子幾乎是我們周圍所有物質(zhì)的組成部分。它們根據(jù)量子力學(xué)的規(guī)則相互影響，形成具有無限多種功能的復(fù)雜系統(tǒng)。為了檢查化學(xué)反應(yīng)，細(xì)胞中的生物過程或新的太陽能收集方式，科學(xué)家不僅希望觀察單個(gè)分子，甚至可以控制它們。

最直觀地，人們通過觸覺探索來學(xué)習(xí)，例如推，拉或敲擊。自然，我們習(xí)慣于通過施加力直接觸摸，擠壓或微動(dòng)的宏觀物體。同樣，原子和分子通過力相互作用，但是這些力在多個(gè)方面都是極端的。首先，作用在原子和分子之間的力的長度非常短。實(shí)際上，這些物體是如此之小，以至于引入了一種特殊的長度標(biāo)尺來測量它們：1Ångström(1Å= 0.000,000,000,1 m)。其次，同時(shí)，原子和分子以極快的速度移動(dòng)和擺動(dòng)。實(shí)際上，它們的運(yùn)動(dòng)發(fā)生的速度快于皮秒(1 ps = 0.000,000,000,001 s)。因此，為了在分子運(yùn)動(dòng)期間直接操縱分子，需要一種工具來產(chǎn)生原子級的超快力。

超快速時(shí)標(biāo)

30年前，Eigler和Schweizer表明，使用掃描隧道顯微鏡可以對單個(gè)原子施加靜力。在這種顯微鏡中，類似于電唱機(jī)，極尖的針頭用于通過掃描原子和分子來感知它們。來自雷根斯堡和蘇黎世的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)解決了挑戰(zhàn)，要使這種力足夠快以在分子運(yùn)動(dòng)過程中直接操縱分子，從而操縱反應(yīng)和躍遷。位于Rupert Huber和Jascha Repp周圍的Regensburg團(tuán)隊(duì)建立在全球獨(dú)一無二的超快顯微鏡上，該顯微鏡結(jié)合了飛秒激光脈沖，可通過掃描隧道顯微鏡對超快的時(shí)間刻度進(jìn)行訪問，從而能夠?qū)蝹€(gè)分子進(jìn)行成像。

研究小組表明，由于光是電磁波，它的振蕩載波可以起超快的作用力，甚至比光場的一個(gè)振蕩周期還快。當(dāng)他們將超快光波施加到顯微鏡的原子針上時(shí)，它們確實(shí)可以在分子的各個(gè)區(qū)域局部施加超快力。新研究的主要作者多米尼克·佩勒(Dominik Peller)解釋說：“通過這種方式，我們可以將曝光的針用作超快原子尺度的“手”，以推動(dòng)分子中的單個(gè)原子。

研究小組觀察到超快的原子力足以觸發(fā)分子的振動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)非常劇烈，以至于最多改變了39%的分子切換概率。多米尼克·佩勒(Dominik Peller)確實(shí)給人留下了深刻的印象：“我們可以隨意控制振幅和振動(dòng)方向，從而在飛秒級上調(diào)節(jié)分子的反應(yīng)概率。”

控制分子反應(yīng)

而且，事實(shí)證明，只有當(dāng)“原子手”將超快力施加到分子的非常特定的區(qū)域時(shí)，它才會(huì)引起振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。正如該小組從與蘇黎世的尼古拉·莫爾(Nikolaj Moll)進(jìn)行的量子力學(xué)計(jì)算的比較中學(xué)到的那樣，這是因?yàn)樵摲肿油ㄟ^關(guān)鍵原子鉤入了表面。只有對這些特定的原子施加超快的力時(shí)，科學(xué)家才能有選擇地控制分子的振動(dòng)。

這一發(fā)展最終以最直接的方式提供了對分子反應(yīng)的控制。預(yù)計(jì)超快原子力將有助于理解和操縱化學(xué)和生物學(xué)的關(guān)鍵過程，從而激發(fā)基于單分子設(shè)備的未來技術(shù)。這樣，不僅可以觀察到物質(zhì)基本成分無所不在的超快運(yùn)動(dòng)，而且還可以以前所未有的精度對其進(jìn)行控制和控制。