Des scientifiques de Ratisbonne et de Zurich ont trouvé un moyen fascinant de pousser un atome avec des forces contrôlées si rapidement qu'ils peuvent chorégraphier le mouvement d'une seule molécule en moins d'un billionième de seconde. L'aiguille extrêmement pointue de leur microscope ultrarapide unique sert de base technique :elle scanne soigneusement les molécules, semblable à un tourne-disque. Des physiciens de l'Université de Ratisbonne ont maintenant montré que des impulsions lumineuses brillantes sur cette aiguille peuvent la transformer en une "main atomique" ultrarapide. Cela permet de diriger les molécules et de s'inspirer de nouvelles technologies.

Les atomes et les molécules sont les constituants de pratiquement toute la matière qui nous entoure. Interagir les uns avec les autres selon les règles de la mécanique quantique, ils forment des systèmes complexes avec une variété infinie de fonctions. Pour étudier les réactions chimiques, processus biologiques dans une cellule, ou de nouvelles façons de récupérer l'énergie solaire, les scientifiques aimeraient non seulement observer des molécules individuelles, mais même les contrôler.

Plus intuitivement, les gens apprennent par exploration haptique, comme pousser, tirant, ou en tapotant. Naturellement, nous sommes habitués aux objets macroscopiques que nous pouvons toucher directement, serrer ou pousser en exerçant des forces. De la même manière, les atomes et les molécules interagissent via des forces, mais ces forces sont extrêmes à de multiples égards. D'abord, les forces agissant entre les atomes et les molécules se produisent à des longueurs extrêmement petites. En réalité, ces objets sont si petits qu'une échelle de longueur spéciale a été introduite pour les mesurer :1 Ångström (1Å =0,000, 000, 000, 1 m). Seconde, à la fois, les atomes et les molécules se déplacent et se tortillent extrêmement rapidement. En réalité, leur mouvement s'effectue plus rapidement que les picosecondes (1 ps =0,000, 000, 000, 001 s). D'où, diriger directement une molécule lors de son mouvement, un outil est nécessaire pour générer des forces ultrarapides à l'échelle atomique.

Échelles de temps ultrarapides

Il y a plus de 30 ans, Eigler et Schweizer ont montré qu'avec un microscope à effet tunnel, il est possible d'exercer des forces statiques sur des atomes individuels. Dans un tel microscope, une aiguille extrêmement pointue est utilisée pour détecter les atomes et les molécules en les parcourant, semblable à un tourne-disque. Une équipe de scientifiques de Ratisbonne et de Zurich a maintenant relevé le défi de rendre ces forces suffisamment rapides pour diriger directement une molécule pendant son mouvement et ainsi manipuler les réactions et les transitions. L'équipe de Ratisbonne autour de Rupert Huber et Jascha Repp s'est appuyée sur un microscope ultrarapide unique au monde qui combine des impulsions laser femtosecondes, donnant accès à des échelles de temps ultrarapides, avec microscopie à effet tunnel, qui est capable d'imager des molécules individuelles.

L'équipe a montré que, puisque la lumière est une onde électromagnétique, son onde porteuse oscillante pourrait agir comme une force ultrarapide, plus rapide même qu'un cycle oscillatoire du champ lumineux. Lorsqu'ils ont appliqué des ondes lumineuses ultrarapides à l'aiguille atomique du microscope, ils pourraient en effet exercer localement une force ultrarapide, dans des régions individuelles de la molécule. "De cette façon, nous pouvons utiliser l'aiguille exposée à la lumière comme une "main" ultrarapide à l'échelle de l'atome pour pousser des atomes individuels de la molécule, " explique Dominik Peller, l'auteur principal de la nouvelle étude.

L'équipe a observé que les forces atomiques ultrarapides étaient suffisamment fortes pour déclencher une vibration de la molécule. Ce mouvement était si vigoureux qu'il modifiait la probabilité de commutation de la molécule jusqu'à 39 %. Dominik Peller a déclaré, vraiment impressionné:"Nous pouvions contrôler l'amplitude et la direction de la vibration à volonté, et moduler ainsi la probabilité de réaction de la molécule à l'échelle femtoseconde."

Contrôle des réactions moléculaires

De plus, il s'est avéré que ce n'est que lorsque la "main atomique" applique des forces ultrarapides à des régions très spécifiques de la molécule, il induit le mouvement vibratoire. Comme l'équipe l'a appris d'une comparaison avec un calcul de mécanique quantique effectué par Nikolaj Moll à Zurich, c'est parce que la molécule s'accroche à la surface via des atomes clés. Ce n'est qu'en appliquant des forces ultrarapides à ces atomes particuliers, les scientifiques pourraient diriger sélectivement la vibration de la molécule.

Ce développement permet enfin de contrôler les réactions moléculaires de la manière la plus directe. Les forces atomiques ultrarapides devraient aider à comprendre et à manipuler des processus clés en chimie et en biologie pour inspirer les futures technologies basées sur des dispositifs à molécule unique. De cette façon, le mouvement ultrarapide omniprésent du constituant élémentaire de la matière ne peut pas seulement être observé, mais contrôlé et attelé avec une précision sans précédent.