Ученые нашли увлекательный способ толкать атом с помощью контролируемых сил так быстро, что они могут управлять движением отдельной молекулы менее чем за триллионную долю секунды. Чрезвычайно острая игла их уникального сверхбыстрого микроскопа служит технической основой: он тщательно сканирует молекулы, как проигрыватель.

Исследование физиков из Регенсбургского университета, опубликованное в журнале Nature, показало, что световые импульсы, падающие на эту иглу, могут превратить ее в сверхбыструю «атомную руку». Это позволяет управлять молекулами и вдохновлять на новые технологии.

Атомы и молекулы являются составными частями практически всей материи, которая нас окружает. Взаимодействуя друг с другом по правилам квантовой механики, они образуют сложные системы с бесконечным разнообразием функций. Чтобы изучить химические реакции, биологические процессы в клетке или новые способы сбора солнечной энергии, ученые хотели бы не только наблюдать за отдельными молекулами, но даже контролировать их.

Наиболее интуитивно люди учатся путем осязательного исследования, такого как толкание, вытягивание или постукивание. Естественно, мы привыкли к макроскопическим объектам, которых можем напрямую касаться, сжимать или подталкивать, прилагая силы. Точно так же атомы и молекулы взаимодействуют посредством сил, но эти силы являются экстремальными во многих отношениях.

Во-первых, силы, действующие между атомами и молекулами, происходят на очень малых расстояниях. Фактически эти объекты настолько малы, что для их измерения была введена специальная шкала длины: 1 Ангстрем (1Å = 0,000,000,000,1 м).

Во-вторых, в то же время атомы и молекулы движутся и покачиваются чрезвычайно быстро. Фактически их движение происходит быстрее пикосекунды (1 пс = 0,000,000,000,001 с). Следовательно, чтобы напрямую управлять молекулой во время ее движения, требуется инструмент для создания сверхбыстрых сил в атомном масштабе.

Более 30 лет назад Эйглер и Швейцер показали, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно воздействовать статическими силами на отдельные атомы. В таком микроскопе очень острая игла используется для обнаружения атомов и молекул путем сканирования по ним, как в проигрывателе.

Команда ученых из Регенсбурга и Цюриха теперь решила задачу сделать такие силы достаточно быстрыми, чтобы напрямую управлять молекулой во время ее движения, и, тем самым, управлять ее реакциями и переходами. Команда из Регенсбурга под руководством Руперта Хубера и Яши Реппа создала уникальный в мире сверхбыстрый микроскоп, который объединяет фемтосекундные лазерные импульсы, открывая доступ к сверхбыстрым временным шкалам, со сканирующей туннельной микроскопией, которая позволяет визуализировать отдельные молекулы.

Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, его колеблющаяся несущая волна может действовать как сверхбыстрая сила. Даже быстрее, чем один колебательный цикл светового поля. Когда они прикладывали сверхбыстрые световые волны к атомной игле микроскопа, они действительно могли оказывать это воздействие локально, на отдельные участки молекулы.

«Таким образом, мы можем использовать засвеченную светом иглу как сверхбыструю „руку“ атомного масштаба, чтобы толкать отдельные атомы молекулы», — объясняет Доминик Пеллер, ведущий автор нового исследования.

Наконечник сверхбыстрого сканирующего туннельного микроскопа (вверху слева) зависает над молекулярным переключателем (внизу, соединены красная и черная сферы). Сверхбыстрые атомные силы (ударные волны) вызывают энергичное движение выбранного атома (красная сфера) молекулы, чтобы контролировать его реакционную способность в сверхбыстрых временных масштабах. Предоставлено: © Брэд Бэксли (parttowhole.com) Разрешено для отчета по этому исследованию

Команда заметила, что сверхбыстрые атомные силы были достаточно сильными, чтобы вызвать колебание молекулы. Это движение было настолько сильным, что изменило вероятность переключения молекулы до 39%.

«Мы можем по желанию контролировать амплитуду и направление колебаний и тем самым модулировать вероятность реакции молекулы в фемтосекундном масштабе», — подчеркивает ученый.

Более того, оказалось, что только когда «атомная рука» прикладывает сверхбыстрые силы к очень специфическим участкам молекулы, она вызывает колебательное движение.

Как выяснили ученые из сравнения с квантово-механическими расчетами, выполненными Николаем Моллем в Цюрихе, это связано с тем, что молекула цепляется за поверхность через ключевые атомы. Только применяя сверхбыстрые силы к этим конкретным атомам, ученые могли выборочно управлять колебаниями молекулы.

Эта разработка, наконец, обеспечивает самый прямой контроль над молекулярными реакциями. Ожидается, что сверхбыстрые атомные силы помогут понять ключевые процессы в химии и биологии и управлять ими, чтобы вдохновить будущие технологии на основе одномолекулярных устройств. Таким образом, вездесущее сверхбыстрое движение элементарной составляющей материи можно не только наблюдать, но и контролировать и использовать с беспрецедентной точностью.