Aktuelles: Atom blitzschnell angetippt

Wissenschaftler*innen aus Regensburg und Zürich haben einen faszinierenden Weg gefunden, ein Atom mit kontrollierten Kr?ften so schnell anzusto?en, dass sie damit die Bewegung eines einzelnen Moleküls in weniger als einer billionstel Sekunde choreografieren k?nnen. Als Grundlage dient die extrem scharfe Nadel eines weltweit einzigartigen ultraschnellen Mikroskops. Sie kann Moleküle vorsichtig abtasten, ?hnlich wie bei einem Plattenspieler. Die Physiker der Universit?t Regensburg verwandelten diese Nadel in eine ultraschnelle ?atomare Hand“, indem sie Lichtblitze darauf strahlten. Damit lassen sich Moleküle bewegen – und neue Technologien inspirieren.

Atome und Moleküle sind die Bestandteile praktisch aller Materie, die uns umgibt. Sie interagieren miteinander gem?? den Regeln der Quantenmechanik und bilden komplexe Systeme, die eine unendliche Vielfalt von Funktionen erfüllen. Um chemische Reaktionen, biologische Vorg?nge einer Zelle oder neuartige Sonnenenergiegewinnung zu untersuchen, würden Wissenschaftler*innen gerne einzelne Moleküle nicht nur beobachten, sondern diese sogar gezielt steuern.

Am intuitivsten lernen Menschen, wie sich Objekte entwickeln, wenn sie haptisch Einfluss nehmen k?nnen: etwas ansto?en, drücken, schubsen oder ziehen. Naturgem?? sind wir dabei an makroskopische Objekte gew?hnt, die sie durch Kraftausübung direkt berühren und bewegen k?nnen. In ?hnlicher Weise interagieren Atome und Moleküle über Kr?fte, aber diese Kr?fte sind in mehrfacher Hinsicht extrem. Erstens treten die zwischen Atomen und Molekülen wirkenden Kr?fte bei extrem kleinen L?ngen auf. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Objekte sind so klein, dass sogar eine spezielle L?ngenskala eingeführt wurde, um sie zu messen: 1 ?ngstr?m (1 ? = 0,000 000 000 1 m). Gleichzeitig zappeln und bewegen sich Atome und Moleküle unvorstellbar schnell; schneller als Pikosekunden (1 ps = 0,000 000 000 001 s). Um ein Molekül bei seiner Bewegung direkt zu beeinflussen, wird also ein Werkzeug zur Erzeugung ultraschneller Kr?fte auf atomarer Ebene ben?tigt.

Vor mehr als 30 Jahren zeigten Eigler und Schweizer, dass man mit einem Rastertunnelmikroskop statische Kr?fte auf einzelne Atome ausüben kann. In solch einem Mikroskop wird eine extrem scharfe Nadel verwendet, die Moleküle vorsichtig abtastet, ?hnlich wie bei einem Plattenspieler. Ein Forschungsteam aus Regensburg und Zürich hat sich nun der Herausforderung gestellt, solch atomare Kr?fte schnell genug zu machen, um Moleküle w?hrend ihrer Bewegung zu lenken und damit Reaktionen und ?berg?nge zu beeinflussen. Das Regensburger Team um Rupert Huber und Jascha Repp arbeitet mit einem weltweit einzigartigen ultraschnellen Mikroskop, welches Femtosekunden-Laserimpulse mit Rastertunnelmikroskopie kombiniert, die einzelne Moleküle sichtbar machen kann.

Weil Licht eine elektromagnetische Welle ist, kann seine oszillierende Tr?gerwelle als ultraschnelle Kraft wirken, wie das Team zeigte, schneller sogar als ein Schwingungszyklus des Lichtfeldes. ?Wenn wir Lichtblitze auf die atomar scharfe Nadel des Mikroskops strahlen, k?nnen wir die belichtete Nadel als ultraschnelle, atomar scharfe 'Hand' verwenden und damit einzelne Atome des Moleküls ansto?en", erkl?rt Dominik Peller, der Erstautor der neuen Studie.

Das Team beobachtete, dass die ultraschnellen atomaren Kr?fte stark genug waren, um eine ultraschnelle Schwingung des Moleküls auszul?sen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Bewegung war so heftig, dass sie die Schaltwahrscheinlichkeit des Moleküls um bis zu 39% beeinflusste. Dominik Peller, zutiefst beeindruckt: ?Wir konnten die Amplitude und die Richtung der Schwingung nach Belieben steuern und damit die Reaktionswahrscheinlichkeit des Moleküls auf der Femtosekundenskala modulieren".

Darüber hinaus stellte sich heraus, dass nur dann eine Schwingungsbewegung ausgel?st wird, wenn die "atomare Hand" ultraschnelle Kr?fte auf ganz bestimmte Bereiche des Moleküls ausübt. Der Vergleich mit einer quantenmechanischen Berechnung von Nikolaj Moll in Zürich offenbarte den Grund dafür: Das Molekül hakt sich über Schlüsselatome in die Oberfl?che ein. Nur wenn die Wissenschaftler*innen ultraschnelle Kr?fte auf diese speziellen Atome ausüben, k?nnen sie die Schwingung des Moleküls gezielt steuern.

百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Entdeckung erm?glicht endlich die Kontrolle über molekulare Reaktionen auf unmittelbarste Weise. Man verspricht sich, durch ultraschnelle atomare Kr?fte Schlüsselprozesse in Chemie und Biologie zu verstehen und zu steuern und damit zukünftige Technologien auf der Basis einzelner Moleküle zu inspirieren. So sollen die Geheimnisse des ultraschnellen Mikrokosmos nicht nur beobachtet, sondern mit bisher unerreichter Pr?zision kontrolliert und nutzbar gemacht werden.

Originalpublikation:
Dominik Peller, Lukas Z. Kastner, Thomas Buchner, Carmen Roelcke, Florian Albrecht, Nikolaj Moll, Rupert Huber and Jascha Repp, Sub-cycle atomic-scale forces coherently control a single-molecule switch. In: Nature. DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2620-2 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)

Weitere Informationen:

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• Zur Homepage Lehrstuhl Prof. Dr. Rupert Huber
• Zur Homepage Lehrstuhl Prof. Dr. Jascha Repp
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