Scienziati di Ratisbona e Zurigo hanno trovato un modo affascinante per spingere un atomo con forze controllate così rapidamente da poter coreografare il movimento di una singola molecola in meno di un trilionesimo di secondo. L'ago estremamente affilato del loro microscopio ultraveloce unico funge da base tecnica:scansiona accuratamente le molecole, simile a un giradischi. I fisici dell'Università di Ratisbona hanno ora dimostrato che gli impulsi luminosi illuminati su questo ago possono trasformarlo in una "mano atomica" ultraveloce. Ciò consente di guidare le molecole e si possono ispirare nuove tecnologie.

Atomi e molecole sono i costituenti praticamente di tutta la materia che ci circonda. Interagendo tra loro secondo le regole della meccanica quantistica, formano sistemi complessi con un'infinita varietà di funzioni. Per esaminare le reazioni chimiche, processi biologici in una cellula, o nuove modalità di raccolta dell'energia solare, gli scienziati vorrebbero non solo osservare le singole molecole, ma anche controllarli.

Più intuitivamente, le persone imparano attraverso l'esplorazione tattile, come spingere, tirando, o toccando. Naturalmente, siamo abituati a oggetti macroscopici che possiamo toccare direttamente, schiacciare o spingere esercitando forze. Allo stesso modo, atomi e molecole interagiscono tramite forze, ma queste forze sono estreme sotto molteplici aspetti. Primo, le forze che agiscono tra atomi e molecole si verificano a lunghezze estremamente piccole. Infatti, questi oggetti sono così piccoli che è stata introdotta una scala di lunghezza speciale per misurarli:1 Ångström (1Å =0.000, 000, 000, 1 metro). Secondo, allo stesso tempo, gli atomi e le molecole si muovono e si muovono molto velocemente. Infatti, il loro moto avviene più velocemente di picosecondi (1 ps =0.000, 000, 000, 001 s). Quindi, guidare direttamente una molecola durante il suo moto, è necessario uno strumento per generare forze ultraveloci su scala atomica.

Tempistiche ultrarapide

Più di 30 anni fa, Eigler e Schweizer hanno dimostrato che con un microscopio a scansione a effetto tunnel è possibile esercitare forze statiche sui singoli atomi. In un tale microscopio, un ago estremamente affilato viene utilizzato per rilevare atomi e molecole scansionandoli, simile a un giradischi. Un team di scienziati di Ratisbona e Zurigo ha ora affrontato la sfida di rendere tali forze abbastanza veloci da guidare direttamente una molecola durante il suo movimento e quindi manipolare reazioni e transizioni. Il team di Regensburg attorno a Rupert Huber e Jascha Repp ha costruito un microscopio ultraveloce unico al mondo che combina impulsi laser a femtosecondi, dando accesso a scale temporali ultraveloci, con microscopia a effetto tunnel, che è in grado di visualizzare singole molecole.

La squadra ha dimostrato che, poiché la luce è un'onda elettromagnetica, la sua onda portante oscillante potrebbe agire come una forza ultraveloce, più veloce anche di un ciclo oscillatorio del campo luminoso. Quando hanno applicato onde luminose ultraveloci all'ago atomico del microscopio, potrebbero infatti esercitare una forza ultraveloce localmente, nelle singole regioni della molecola. "In questo modo, possiamo usare l'ago esposto alla luce come una "mano" ultraveloce su scala atomica per spingere singoli atomi della molecola, " spiega Dominik Peller, l'autore principale del nuovo studio.

Il team ha osservato che le forze atomiche ultraveloci erano abbastanza forti da innescare una vibrazione della molecola. Questo movimento era così vigoroso da alterare la probabilità di commutazione della molecola fino al 39%. Dominik Peller ha dichiarato, sinceramente impressionato:"Potremmo controllare l'ampiezza e la direzione della vibrazione a piacimento, e quindi modulare la probabilità di reazione della molecola sulla scala dei femtosecondi."

Controllo sulle reazioni molecolari

Inoltre, si è scoperto che solo quando la "mano atomica" applica forze ultraveloci a regioni molto specifiche della molecola, induce il movimento vibrazionale. Come il team ha appreso da un confronto con un calcolo quantomeccanico eseguito da Nikolaj Moll a Zurigo, questo perché la molecola si aggancia alla superficie tramite atomi chiave. Solo quando si applicano forze ultraveloci a questi particolari atomi, gli scienziati potrebbero guidare selettivamente la vibrazione della molecola.

Questo sviluppo fornisce infine il controllo sulle reazioni molecolari nel modo più diretto. Ci si aspetta che le forze atomiche ultraveloci aiutino a comprendere e manipolare processi chiave in chimica e biologia per ispirare tecnologie future basate su dispositivi a molecola singola. In questo modo, l'onnipresente moto ultraveloce del costituente elementare della materia non può solo essere osservato, ma controllata e imbrigliata con una precisione senza precedenti.