物理学家在不到一万亿分之一秒的时间内推动原子

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。

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。

超快速时标

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。”

控制分子反应

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。

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