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Rastertunnelmikroskopie auf die Spitze getrieben Blitzschnelle Nadel steuert einzelne Atome

| Redakteur: Christian Lüttmann

Atome sind nicht nur klein, sondern auch extrem schnell: Sie schwingen im Billionstel Bruchteil einer Sekunde hin und her. Nun haben Forscher der Universität Regensburg eine Technik entwickelt, mit der sie die Teilchen trotzdem fassen und ihre Reaktionen gezielt beeinflussen können. Dazu nutzen sie eine extrem scharfe Nadel und Lichtblitze.

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Die Spitze eines ultraschnellen Rastertunnelmikroskops (oben links) schwebt über einem molekularen Schalter (unten, verbundene rote und schwarze Kugeln). Ultraschnelle atomare Kräfte (Schockwellen) induzieren lebhafte Bewegungen eines bestimmten Atoms (rote Kugel) im Molekül, um seine Reaktivität auf ultraschnellen Zeitskalen zu steuern.
Die Spitze eines ultraschnellen Rastertunnelmikroskops (oben links) schwebt über einem molekularen Schalter (unten, verbundene rote und schwarze Kugeln). Ultraschnelle atomare Kräfte (Schockwellen) induzieren lebhafte Bewegungen eines bestimmten Atoms (rote Kugel) im Molekül, um seine Reaktivität auf ultraschnellen Zeitskalen zu steuern.
(Bild: Brad Baxley (parttowhole.com))

Regensburg – Atome und Moleküle sind die Bestandteile praktisch aller Materie, die uns umgibt. In chemischen Reaktionen interagieren die Teilchen miteinander, etwa bei biologischen Vorgängen einer Zelle oder bei der Stromerzeugung aus Solarenergie. Hier wäre es hilfreich, wenn man jedes einzelne Atom bei diesen Wechselspielen nicht nur beobachten, sondern sogar gezielt steuern könnte. Hier haben Physiker der Universität Regensburg mit einer weiterentwickelten Messtechnik nun einen Fortschritt erzielt.

Die Herausforderung: Atome sind nicht nur nanoskopisch klein, sondern auch unglaublich schnell. Zwar lassen sie sich prinzipiell ähnlich wie makroskopische Objekte durch Kraftausübung direkt berühren und bewegen, jedoch muss man die Teilchen dazu erst einmal erwischen. So zappeln und bewegen sich Atome und Moleküle 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 Kräfte auf atomarer Ebene benötigt. Der geeignete Kandidat ist ein Rastertunnelmikroskop.

Rastertunnelmikroskopie der nächsten Stufe

Bereits vor mehr als 30 Jahren haben Donald Mark Eigler und Erhard Schweizer gezeigt, dass man mit einem Rastertunnelmikroskop statische Kräfte auf einzelne Atome ausüben kann. In solch einem Mikroskop wird eine extrem scharfe Nadel verwendet, die Moleküle vorsichtig abtastet, ähnlich wie bei einem Plattenspieler.

Nun hat ein Team der Uni Regensburg gemeinsam mit Kollegen aus Zürich versucht, solch atomare Kräfte schnell genug zu machen, um Moleküle während ihrer Bewegung zu lenken und damit Reaktionen und Übergänge 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.

Lichtblitze bringen Nadel zum Schwingen

Weil Licht eine elektromagnetische Welle ist, kann seine oszillierende Trägerwelle 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, können wir die belichtete Nadel als ultraschnelle, atomar scharfe ‚Hand‘ verwenden und damit einzelne Atome des Moleküls anstoßen“, erklärt Dominik Peller, der Erstautor der neuen Studie.

Das Team beobachtete, dass die atomaren Kräfte stark genug waren, um eine ultraschnelle Schwingung des Moleküls auszulösen. Diese Bewegung war so heftig, dass sie die Schaltwahrscheinlichkeit des Moleküls um bis zu 39% beeinflusste. „Wir konnten die Amplitude und die Richtung der Schwingung nach Belieben steuern und damit die Reaktionswahrscheinlichkeit des Moleküls auf der Femtosekundenskala modulieren“, führt Peller aus.

Geheimnisse des ultraschnellen Mikrokosmos lüften

Darüber hinaus stellte sich heraus, dass nur dann eine Schwingungsbewegung ausgelöst wird, wenn die „atomare Hand“ ultraschnelle Kräfte 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 Oberfläche ein. Nur wenn die Wissenschaftler Kräfte auf diese speziellen Atome ausüben, können sie die Schwingung des Moleküls gezielt steuern.

Diese Entdeckung ermöglicht die Kontrolle über molekulare Reaktionen auf unmittelbarste Weise. Man verspricht sich, durch ultraschnelle atomare Kräfte Schlüsselprozesse in Chemie und Biologie zu verstehen und zu steuern und damit zukünftige Technologien auf Basis einzelner Moleküle zu inspirieren. So sollen die Geheimnisse des ultraschnellen Mikrokosmos nicht nur beobachtet, sondern mit bisher unerreichter Präzision kontrolliert und nutzbar gemacht werden heißt es von den Forschern.

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, Nature volume 585, pages58–62(2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2620-2

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