لقد تعلم الفيزيائيون تحريك الذرات في أقل من تريليون من الثانية

الذرات والجزيئات هي الأجزاء المكونة لكل المادة التي تحيط بنا تقريبًا.

التفاعل مع بعضهم البعض وفقا للقواعدفي ميكانيكا الكم، فإنها تشكل أنظمة معقدة ذات مجموعة لا حصر لها من الوظائف. لدراسة التفاعلات الكيميائية، أو العمليات البيولوجية في الخلايا، أو الطرق الجديدة لحصد الطاقة الشمسية، لا يرغب العلماء في مراقبة الجزيئات الفردية فحسب، بل حتى التحكم فيها.

الأكثر بديهية ، يتعلم الناس من خلالالاستكشاف باللمس ، مثل الدفع أو السحب أو النقر. بطبيعة الحال ، نحن معتادون على الأشياء العيانية التي يمكننا لمسها أو ضغطها أو دفعها بقوة. وبالمثل ، تتفاعل الذرات والجزيئات من خلال القوى ، لكن هذه القوى شديدة من نواحٍ عديدة. أولاً ، تحدث القوى بين الذرات والجزيئات على مسافات صغيرة جدًا. في الواقع ، هذه الأشياء صغيرة جدًا لدرجة أنه تم إدخال مقياس طول خاص لقياسها: 1 أنجستروم (1Å = 0.000.000.000.1 م). ثانيًا ، في نفس الوقت ، تتحرك الذرات والجزيئات وتتأرجح بسرعة كبيرة. في الواقع ، حركتهم أسرع من بيكو ثانية (1 ps = 0،000،000،000،001 s). لذلك ، للتحكم المباشر في الجزيء أثناء تحركه يتطلب أداة لإنشاء قوى فائقة السرعة على نطاق ذري.

منذ أكثر من 30 عامًا ، أظهر إيجلر وشفايتزر ذلكباستخدام مجهر المسح النفقي ، يمكن تطبيق قوى ثابتة على الذرات الفردية. في مثل هذا المجهر ، تُستخدم إبرة حادة جدًا لاكتشاف الذرات والجزيئات عن طريق المسح فوقها ، كما هو الحال في مشغل الأسطوانات. لقد حل فريق من العلماء من ريغنسبورغ وزيورخ الآن مشكلة جعل مثل هذه القوى سريعة بما يكفي للتحكم المباشر في الجزيء أثناء تحركه ، وبالتالي التحكم في تفاعلاته وتحولاته. ابتكر فريق من ريغنسبورغ بقيادة روبرت هوبر وجاشا ريب مجهرًا فائق السرعة فريدًا من نوعه على مستوى العالم يجمع بين نبضات ليزر فيمتوثانية ، مما يتيح الوصول إلى مقاييس زمنية فائقة السرعة ، مع الفحص المجهري النفقي ، الذي يسمح بتصور الجزيئات الفردية.

منذ الضوءالموجة الكهرومغناطيسية ، يمكن أن تعمل الموجة الحاملة المتذبذبة كقوة فائقة السرعة. حتى أسرع من دورة تذبذب مجال الضوء. عندما قاموا بتطبيق موجات ضوئية فائقة السرعة على الطرف الذري للميكروسكوب ، تمكنوا بالفعل من ممارسة هذا التأثير محليًا ، على أجزاء منفصلة من الجزيء. يوضح دومينيك بيلر ، المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة: "لذلك يمكننا استخدام إبرة مضاءة بالضوء كيد" يد "فائقة السرعة على نطاق ذري لدفع الذرات الفردية في الجزيء".

مسح فائق السرعة طرف الأنفاقالمجهر (أعلى اليسار) يحوم فوق المفتاح الجزيئي (الكرات السفلية والحمراء والسوداء متصلة). تتسبب القوى الذرية فائقة السرعة (موجات الصدمة) في تحرك ذرة محددة (كرة حمراء) بقوة في جزيء للتحكم في تفاعله على نطاق زمني فائق السرعة. الائتمان: © Brad Baxley (parttowhole.com) مسموح بتقديم تقرير عن هذه الدراسة

لاحظ الفريق أن القوى الذرية فائقة السرعةكانت قوية بما يكفي لتهتز الجزيء. كانت هذه الحركة قوية جدًا لدرجة أنها غيرت احتمالية تبديل الجزيء إلى 39٪. يؤكد العالم: "يمكننا اختيارياً التحكم في سعة واتجاه التذبذبات ، وبالتالي تعديل احتمالية تفاعل الجزيء على مقياس فيمتوثانية".

علاوة على ذلك ، اتضح أنه فقط عندما "ذرياليد "تطبق قوى فائقة السرعة على أجزاء محددة جدًا من الجزيء ، فهي تسبب حركة اهتزازية. كما اكتشف العلماء من مقارنة مع حسابات ميكانيكا الكم التي أجراها نيكولاي مول في زيورخ ، فإن هذا يرجع إلى حقيقة أن الجزيء يتمسك بالسطح من خلال الذرات الرئيسية. فقط من خلال تطبيق قوى فائقة السرعة على هذه الذرات المحددة يمكن للعلماء التحكم بشكل انتقائي في اهتزازات الجزيء.

هذا التطور يوفر أخيرًا أكثرالتحكم المباشر في التفاعلات الجزيئية. من المتوقع أن تساعد القوى الذرية فائقة السرعة في فهم العمليات الرئيسية في الكيمياء والبيولوجيا ومعالجتها لإلهام تقنيات الأجهزة أحادية الجزيء في المستقبل. وبالتالي ، لا يمكن ملاحظة الحركة فائقة السرعة في كل مكان للمكوِّن الأولي للمادة فحسب ، بل يمكن أيضًا التحكم فيها واستخدامها بدقة غير مسبوقة.

اقرأ أيضا

هالة أندروميدا تقترب من مجرتنا. نخبرك لماذا هو مهم

أعراض الفيروس التاجي عند الأطفال. ما يجب الانتباه إليه؟

تم تطوير جزيء فريد لتخزين الطاقة الشمسية