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物理学家在不到一万亿分之一秒的时间内推动原

更新时间:2020-09-11 15:11点击:

  来自雷根斯堡和苏黎世的科学家发现了一种引人入胜的方法,可以用受控的力快速推动原子,从而可以在不到一万亿分之一秒的时间内编排单个分子的运动。其独特的超快显微镜的极尖的针用作技术基础:它类似于电唱机,仔细扫描分子。雷根斯堡大学的物理学家现在表明,将光脉冲照射到该针上可以将其转变为超快的“原子手”。这样可以控制分子,并可以激发新技术。

物理学家在不到一万亿分之一秒的时间内推动原

  原子和分子几乎是我们周围所有物质的组成部分。它们根据量子力学的规则相互影响,形成具有无限多种功能的复杂系统。为了检查化学反应,细胞中的生物过程或新的太阳能收集方式,科学家不仅希望观察单个分子,甚至可以控制它们。

  最直观地,人们通过触觉探索来学习,例如推,拉或敲击。自然,我们习惯于通过施加力直接触摸,挤压或微动的宏观物体。同样,原子和分子通过力相互作用,但是这些力在多个方面都是极端的。首先,作用在原子和分子之间的力的长度非常短。实际上,这些物体是如此之小,以至于引入了一种特殊的长度标尺来测量它们:1Ångström(1Å= 0.000,000,000,1 m)。其次,同时,原子和分子以极快的速度移动和摆动。实际上,它们的运动发生的速度快于皮秒(1 ps = 0.000,000,000,001 s)。因此,为了在分子运动期间直接操纵分子,需要一种工具来产生原子级的超快力。

  30年前,Eigler和Schweizer表明,使用扫描隧道显微镜可以对单个原子施加静力。在这种显微镜中,类似于电唱机,极尖的针头用于通过扫描原子和分子来感知它们。来自雷根斯堡和苏黎世的一个科学家团队现在已经解决了挑战,要使这种力足够快以在分子运动过程中直接操纵分子,从而操纵反应和跃迁。位于Rupert Huber和Jascha Repp周围的Regensburg团队建立在全球独一无二的超快显微镜上,该显微镜结合了飞秒激光脉冲,可通过扫描隧道显微镜对超快的时间刻度进行访问,从而能够对单个分子进行成像。

  研究小组表明,由于光是电磁波,它的振荡载波可以起超快的作用力,甚至比光场的一个振荡周期还快。当他们将超快光波施加到显微镜的原子针上时,它们确实可以在分子的各个区域局部施加超快力。新研究的主要作者多米尼克·佩勒(Dominik Peller)解释说:“通过这种方式,我们可以将曝光的针用作超快原子尺度的“手”,以推动分子中的单个原子。

  研究小组观察到超快的原子力足以触发分子的振动。该运动非常剧烈,以至于最多改变了39%的分子切换概率。多米尼克·佩勒(Dominik Peller)确实给人留下了深刻的印象:“我们可以随意控制振幅和振动方向,从而在飞秒级上调节分子的反应概率。”

  而且,事实证明,只有当“原子手”将超快力施加到分子的非常特定的区域时,它才会引起振动运动。正如该小组从与苏黎世的尼古拉·莫尔(Nikolaj Moll)进行的量子力学计算的比较中学到的那样,这是因为该分子通过关键原子钩入了表面。只有对这些特定的原子施加超快的力时,科学家才能有选择地控制分子的振动。

  这一发展最终以最直接的方式提供了对分子反应的控制。预计超快原子力将有助于理解和操纵化学和生物学的关键过程,从而激发基于单分子设备的未来技术。这样,不仅可以观察到物质基本成分无所不在的超快运动,而且还可以以前所未有的精度对其进行控制和控制。


物理学家在不到一万亿分之一秒的时间内推动原