新技术实现‘原子手’ 可移动分子内单个原子

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【大纪元2020年09月22日讯】(大纪元记者高文森编译报导)新研究在扫描隧道显微镜的基础上,向探针施加超快激光脉冲,实现了在万亿分之一秒内这样短的瞬间,以可控的力度推动了分子内的单个原子

超快速显微镜所用的探针在分子表面扫描的情形,研究者比喻说,就像留声机的唱针在唱盘上移动一样。德国雷根斯堡大学(University of Regensburg)的研究人员发现,在光波的作用下,探针可以控制分子移动方向。

原子和分子构成了物质世界中几乎任何物质。它们之间遵循量子学规律产生互动后,组成有着无尽的功能的各种复杂系统。现在科学家已经能够观测到非常微观层面粒子互动的情形,但是如果能控制它们的互动,那在化学反应、细胞内生物代谢过程,或是以新的方式捕获太阳能等领域都有着广阔的应用前景。

相对于周围看得见摸得着的物体,原子、分子是微观世界内的物体。它们之间也有作用力、距离、时间范围这些物理特性,但是必须用微观世界专用的单位才能测量和描述它们。

比如,它们之间的距离用埃(Ångström,符号Å)来表示,1埃相当于10的负10次方米。原子和分子发生移动的时间间隔也微乎其微,一般都不到几个皮秒(picosecond,符号ps),1皮秒相当于10的负12次方秒。

因此,要直接移动微观世界的原子,需要一个能在极短的时间范围内施加作用力的工具。

三十多年前,科学家发现扫描隧道显微镜可以向单个原子施加静态作用力。新研究在此基础上,造出了世界上独有的一个结合飞秒(10的负15次方秒)激光脉冲与扫描隧道显微镜的设备。

研究称,因为光是电磁波,它的振荡载波可以作为超快作用力,施力的瞬间还不到一个振荡周期的时间范围。当研究人员将超快光波作用于显微镜的探针,他们果然可以向分子的特定区域施加一个超快的作用力。

“通过这种方法,我们可以使用光照下的探针作为超快‘原子手’,推动分子内单个的原子。”这份研究的主要作者佩勒(Dominik Peller)说。

这份研究发现,这种超快作用力足以触发分子的振动,所产生的运动幅度有39%的可能性可以改变分子开关的状态。佩勒说:“我们能按照需要控制振动的振幅和方向,由此可以在飞秒范围内调整分子产生特定反应的可能性。”◇

责任编辑:朱涵儒

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