物理学家操纵和控制单个分子

扫描隧道显微镜。巴斯大学

新技术将为跨纳米科学和纳米物理学领域的研究提供可能。

巴斯大学的物理学家发现了一些看似奇怪的结果后，发现了如何在十亿分之一秒的时间内操纵和控制单个分子。

他们的新技术是在单个分子水平上控制科学家可以工作的最小规模的化学反应的最灵敏方法。

在纳米科学的极限条件下进行的一项名为“ STM（扫描隧道显微镜）分子操纵”的实验通常用于观察通过添加单个电子而激发的单个分子的反应。传统的化学家可能会使用试管和本生灯来驱动反应。在这里，他们使用显微镜及其电流来驱动反应。电流是如此之小，它更像是一系列撞击目标分子的单个电子。但是，整个实验是一个被动过程，一旦电子被添加到分子中，研究人员就只能观察到发生了什么。

但是，当克里斯蒂娜·鲁西莫娃（Kristina Rusimova）博士在休假期间从实验室检查了她的数据时，她在标准实验中发现了一些异常结果，而进一步的研究无法解释这一结果。当电流增加时，反应总是更快，除非这里没有。

鲁西莫娃（Rusimova）博士及其同事花了几个月的时间思考可能的解释，以揭露这种效应，并重复进行实验，但最终他们意识到，他们在《科学》杂志上发表的一项新研究中找到了一种将单分子实验控制到前所未有的程度的方法。

研究小组发现，通过将显微镜的尖端保持在非常接近被研究分子的高度（在600-800万亿米的范围内），电子粘附到目标分子上的时间可以减少两个数量级，因此，可以控制由此产生的反应，在此反应中，驱动单个甲苯分子从硅表面脱离（解吸）。

研究小组认为，这是因为尖端与分子相互作用以创建新的量子态，从而为电子提供了新的跃迁通道，从而使电子跃迁到分子上，从而减少了电子在分子上花费的时间，从而减少了发生这种情况的机会。电子引起反应。

在最敏感的情况下，这意味着可以将反应时间控制在自然限度内，从10飞秒降至0.1飞秒。

鲁西莫娃博士说：“这是我们正在进行的完全标准实验的数据，因为我们认为我们已经用尽了所有有趣的内容–这只是最终检查。但是我的数据看起来“错误”，所有图表都应该上升，而我的数据应该下降。

该研究的主要作者彼得·斯隆博士（Peter Sloan）补充说：“如果这是正确的，那么我们将产生全新的影响，但是我们知道如果我们要宣称如此惊人的话，我们需要做一些工作以确保它是真实的，而不是误报。”“我一直认为我们的显微镜有点像千年猎鹰，它不是太优雅了，而是由运行它的人聚集在一起的，但是对它的功能却完全赞不绝口。在克里斯蒂娜和博士之间学生丽贝卡·普尔基斯（Rebecca Purkis）对其显微镜的空间控制水平是开启这一新物理学的关键。”

Sloan博士补充说：“这项工作的基本目标是开发工具，使我们能够将物质控制在这个极端极限。是自然界不希望您打破的化学键断裂，还是产生了热力学禁止的分子结构。我们的工作为控制单个分子及其反应提供了一条新途径。本质上，我们有一个新的拨盘可以在运行实验时设置。在这些秤上工作具有极端的性质，很难做到，但是我们使用这种技术具有极高的分辨率和可重复性。”

该团队希望他们的新技术将为首次在纳米级进行许多新的实验和发现打开大门。

出版物：K. R. Rusimova，R.M。Purkiss，R.Howes，F.Lee，S.Crampin，P.A。Sloan，“调节单个分子的飞秒激发态寿命”（2018年）发表于《科学》：卷361，第6406期，第1012-1016页。DOI：10.1126 / science.aat9688