新技術實現『原子手』 可移動分子內單個原子

2020-09-22 超燃視線

科學家使用超快雷射脈衝將掃描隧道顯微鏡的探針作為超快『原子手』，實現了在萬億分之一秒內推動分子內的單個原子。此僅為示意圖。（ShutterStock）

新研究在掃描隧道顯微鏡的基礎上，向探針施加超快雷射脈衝，實現了在萬億分之一秒內這樣短的瞬間，以可控的力度推動了分子內的單個原子。

超快速顯微鏡所用的探針在分子表面掃描的情形，研究者比喻說，就像留聲機的唱針在唱盤上移動一樣。德國雷根斯堡大學（University of Regensburg）的研究人員發現，在光波的作用下，探針可以控制分子移動方向。

原子和分子構成了物質世界中幾乎任何物質。它們之間遵循量子學規律產生互動後，組成有著無盡的功能的各種複雜系統。現在科學家已經能夠觀測到非常微觀層面粒子互動的情形，但是如果能控制它們的互動，那在化學反應、細胞內生物代謝過程，或是以新的方式捕獲太陽能等領域都有著廣闊的應用前景。

相對於周圍看得見摸得著的物體，原子、分子是微觀世界內的物體。它們之間也有作用力、距離、時間範圍這些物理特性，但是必須用微觀世界專用的單位才能測量和描述它們。

比如，它們之間的距離用埃（Ångström，符號Å）來表示，1埃相當於10的負10次方米。原子和分子發生移動的時間間隔也微乎其微，一般都不到幾個皮秒（picosecond，符號ps），1皮秒相當於10的負12次方秒。

因此，要直接移動微觀世界的原子，需要一個能在極短的時間範圍內施加作用力的工具。

三十多年前，科學家發現掃描隧道顯微鏡可以向單個原子施加靜態作用力。新研究在此基礎上，造出了世界上獨有的一個將飛秒（10的負15次方秒）雷射脈衝與結合掃描隧道顯微鏡結合的設備。

研究稱，因為光是電磁波，它的振蕩載波可以作為超快作用力，施力的瞬間還不到一個振蕩周期的時間範圍。當研究人員將超快光波作用於顯微鏡的探針，他們果然可以向分子的特定區域施加一個超快的作用力。

「通過這種方法，我們可以使用光照下的探針作為超快『原子手』，推動分子內單個的原子。」這份研究的主要作者佩勒（Dominik Peller）說。

這份研究發現，這種超快作用力足以觸發分子的振動，所產生的運動幅度有39%的可能性可以改變分子開關的狀態。佩勒說：「我們能按照需要控制振動的振幅和方向，由此可以在飛秒範圍內調整分子產生特定反應的可能性。」

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