Científicos de Ratisbona y Zúrich han encontrado una forma fascinante de empujar un átomo con fuerzas controladas tan rápido que pueden coreografiar el movimiento de una sola molécula en menos de una billonésima de segundo. La aguja extremadamente afilada de su exclusivo microscopio ultrarrápido sirve como base técnica:escanea cuidadosamente las moléculas, similar a un tocadiscos. Los físicos de la Universidad de Ratisbona demostraron ahora que hacer brillar pulsos de luz sobre esta aguja puede transformarla en una "mano atómica" ultrarrápida. Esto permite que las moléculas sean dirigidas y se puedan inspirar nuevas tecnologías.

Los átomos y las moléculas son los componentes de prácticamente toda la materia que nos rodea. Interactuar entre sí de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, forman sistemas complejos con una variedad infinita de funciones. Para examinar reacciones químicas, procesos biológicos en una célula, o nuevas formas de captación de energía solar, A los científicos les encantaría no solo observar moléculas individuales, pero incluso controlarlos.

De manera más intuitiva, la gente aprende mediante exploración háptica, como empujar, tracción, o tocando. Naturalmente, estamos acostumbrados a objetos macroscópicos que podemos tocar directamente, apriete o empuje ejerciendo fuerzas. Similar, los átomos y las moléculas interactúan a través de fuerzas, pero estas fuerzas son extremas en múltiples aspectos. Primero, las fuerzas que actúan entre los átomos y las moléculas ocurren en longitudes extremadamente pequeñas. De hecho, Estos objetos son tan pequeños que se ha introducido una escala de longitud especial para medirlos:1 Ångström (1Å =0.000, 000, 000, 1 m). Segundo, al mismo tiempo, los átomos y las moléculas se mueven y se mueven extremadamente rápido. De hecho, su movimiento tiene lugar más rápido que los picosegundos (1 ps =0.000, 000, 000, 001 s). Por eso, para dirigir directamente una molécula durante su movimiento, Se requiere una herramienta para generar fuerzas ultrarrápidas a escala atómica.

Escalas de tiempo ultrarrápidas

Hace más de 30 años, Eigler y Schweizer demostraron que con un microscopio de efecto túnel es posible ejercer fuerzas estáticas en átomos individuales. En tal microscopio, se usa una aguja extremadamente afilada para detectar átomos y moléculas escaneando a través de ellos, similar a un tocadiscos. Un equipo de científicos de Ratisbona y Zúrich ahora ha abordado el desafío de hacer que tales fuerzas sean lo suficientemente rápidas para dirigir directamente una molécula durante su movimiento y, por lo tanto, manipular reacciones y transiciones. El equipo de Ratisbona alrededor de Rupert Huber y Jascha Repp se basó en un microscopio ultrarrápido único en todo el mundo que combina pulsos de láser de femtosegundos, dando acceso a escalas de tiempo ultrarrápidas, con microscopía de túnel de barrido, que es capaz de obtener imágenes de moléculas individuales.

El equipo demostró que, dado que la luz es una onda electromagnética, su onda portadora oscilante podría actuar como una fuerza ultrarrápida, más rápido incluso que un ciclo oscilatorio del campo de luz. Cuando aplicaron ondas de luz ultrarrápidas a la aguja atómica del microscopio, de hecho, podrían ejercer una fuerza ultrarrápida a nivel local, en regiones individuales de la molécula. "De este modo, Podemos usar la aguja expuesta a la luz como una 'mano' ultrarrápida a escala de átomo para empujar átomos individuales de la molécula, "explica Dominik Peller, el autor principal del nuevo estudio.

El equipo observó que las fuerzas atómicas ultrarrápidas eran lo suficientemente fuertes como para desencadenar una vibración de la molécula. Este movimiento fue tan vigoroso que alteró la probabilidad de cambio de la molécula hasta en un 39%. Dominik Peller declaró:genuinamente impresionado:"Podríamos controlar la amplitud y la dirección de la vibración a voluntad, y de ese modo modular la probabilidad de reacción de la molécula en la escala de femtosegundos ".

Control de reacciones moleculares

Es más, Resultó que solo cuando la "mano atómica" aplica fuerzas ultrarrápidas a regiones muy específicas de la molécula, induce el movimiento vibratorio. Como aprendió el equipo de una comparación con un cálculo mecánico cuántico realizado por Nikolaj Moll en Zúrich, esto se debe a que la molécula se engancha en la superficie a través de átomos clave. Solo cuando se aplican fuerzas ultrarrápidas a estos átomos en particular, los científicos podrían dirigir selectivamente la vibración de la molécula.

Este desarrollo finalmente proporciona el control sobre las reacciones moleculares de la manera más directa. Se espera que las fuerzas atómicas ultrarrápidas ayuden a comprender y manipular procesos clave en química y biología para inspirar tecnologías futuras basadas en dispositivos de una sola molécula. De este modo, el omnipresente movimiento ultrarrápido del constituyente elemental de la materia no solo puede observarse, pero controlado y aprovechado con una precisión sin precedentes.