Cientistas de Regensburg e Zurique descobriram uma maneira fascinante de impulsionar um átomo com forças controladas tão rapidamente que podem coreografar o movimento de uma única molécula em menos de um trilionésimo de segundo. A agulha extremamente afiada de seu microscópio ultrarrápido exclusivo serve como base técnica:ele escaneia cuidadosamente as moléculas, semelhante a um toca-discos. Físicos da Universidade de Regensburg agora mostraram que pulsos de luz brilhante nesta agulha podem transformá-la em uma "mão atômica" ultrarrápida. Isso permite que as moléculas sejam dirigidas - e novas tecnologias podem ser inspiradas.

Átomos e moléculas são os constituintes de praticamente toda a matéria que nos rodeia. Interagindo entre si de acordo com as regras da mecânica quântica, eles formam sistemas complexos com uma variedade infinita de funções. Para examinar as reações químicas, processos biológicos em uma célula, ou novas formas de captação de energia solar, os cientistas adorariam não apenas observar moléculas individuais, mas mesmo controlá-los.

Mais intuitivamente, as pessoas aprendem pela exploração tátil, como empurrar, puxar, ou tocando. Naturalmente, estamos acostumados a objetos macroscópicos que podemos tocar diretamente, aperte ou cutuque exercendo forças. De forma similar, átomos e moléculas interagem por meio de forças, mas essas forças são extremas em vários aspectos. Primeiro, as forças que atuam entre os átomos e as moléculas ocorrem em comprimentos extremamente pequenos. Na verdade, esses objetos são tão pequenos que uma escala especial de comprimento foi introduzida para medi-los:1 Ångström (1Å =0,000, 000, 000, 1 m). Segundo, ao mesmo tempo, átomos e moléculas se movem e se mexem extremamente rápido. Na verdade, seu movimento ocorre mais rápido do que picossegundos (1 ps =0,000, 000, 000, 001 s). Portanto, para orientar diretamente uma molécula durante seu movimento, uma ferramenta é necessária para gerar forças ultrarrápidas em escala atômica.

Escalas de tempo ultrarrápidas

Mais de 30 anos atrás, Eigler e Schweizer mostraram que com um microscópio de tunelamento de varredura é possível exercer forças estáticas em átomos individuais. Em tal microscópio, uma agulha extremamente afiada é usada para detectar átomos e moléculas, escaneando-os, semelhante a um toca-discos. Uma equipe de cientistas de Regensburg e Zurique agora enfrenta o desafio de tornar essas forças rápidas o suficiente para direcionar diretamente uma molécula durante seu movimento e, assim, manipular reações e transições. A equipe de Regensburg em torno de Rupert Huber e Jascha Repp construiu um microscópio ultrarrápido único em todo o mundo que combina pulsos de laser de femtossegundos, dando acesso a escalas de tempo ultrarrápidas, com microscopia de varredura por tunelamento, que é capaz de criar imagens de moléculas individuais.

A equipe mostrou que, uma vez que a luz é uma onda eletromagnética, sua onda portadora oscilante poderia atuar como uma força ultrarrápida, mais rápido ainda do que um ciclo oscilatório do campo de luz. Quando eles aplicaram ondas de luz ultrarrápidas à agulha atômica do microscópio, eles poderiam de fato exercer uma força ultrarrápida localmente, em regiões individuais da molécula. "Desta maneira, podemos usar a agulha exposta à luz como uma 'mão' em escala de átomo ultrarrápida para empurrar átomos individuais da molécula, "explica Dominik Peller, o principal autor do novo estudo.

A equipe observou que as forças atômicas ultrarrápidas eram fortes o suficiente para desencadear uma vibração da molécula. Esse movimento foi tão vigoroso que alterou a probabilidade de troca da molécula em até 39%. Dominik Peller afirmou, genuinamente impressionado:"Poderíamos controlar a amplitude e a direção da vibração à vontade, e, assim, modular a probabilidade de reação da molécula na escala do femtossegundo. "

Controle sobre as reações moleculares

Além disso, descobriu-se que apenas quando a "mão atômica" aplica forças ultrarrápidas a regiões muito específicas da molécula, induz o movimento vibracional. Como a equipe aprendeu com uma comparação com um cálculo de mecânica quântica realizado por Nikolaj Moll em Zurique, isso ocorre porque a molécula se conecta à superfície por meio de átomos-chave. Somente ao aplicar forças ultrarrápidas a esses átomos em particular, os cientistas podiam controlar seletivamente a vibração da molécula.

Este desenvolvimento finalmente fornece controle sobre as reações moleculares da maneira mais direta. Espera-se que as forças atômicas ultrarrápidas ajudem a compreender e manipular processos-chave em química e biologia para inspirar tecnologias futuras baseadas em dispositivos de uma única molécula. Desta maneira, o movimento ultrarrápido onipresente do constituinte elementar da matéria não pode ser apenas observado, mas controlado e aproveitado com precisão sem precedentes.