Nature精读：新技术实现对单分子的超快操纵

对于实验科学而言，新材料、新方法、新表征的发展是相关研究领域取得关键突破的重要保障。为此，研之成理特此开设“新思路专栏”，深入介绍”新材料、新方法、新表征“相关的研究进展，希望给科研人员带来一丝启发与帮助。

前言

扫描探针技术可以运用原子级别精确的力在表面上构建功能性原子、分子结构，并能影响表面上的化学反应进程。同时该技术还有潜力通过局域动力学作用实现对表面上原子、分子体系的相干控制。在表面上，化学反应、原子或分子的构型转变以及它们的脱吸附过程发生的时间都非常短暂，属于一类超快过程。想要操纵这些超快过程，就同样需要具有同样时间尺度的力。那么，如何制造出飞秒尺度的“力”呢？这种力具备哪些特性呢？德国雷根斯堡大学Rupert Huber和Jascha Repp领导的团队给出了答案。他们巧妙的将太赫兹技术与扫描探针技术相结合，利用亚原子尺度的力的相干控制，成功的精确调控了单分子体系的构型转变。该工作发表在今年9月初的《Nature》上。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2620-2

问题提出

1. 选择什么样的分子体系？

▲图 1 利用局域超快力刺激对单分子开关进行结构动力学相干控制。

2. 怎样操纵MgPc分子开关？

在普通情况下，可以通过利用扫描隧道显微镜（STM）的针尖以机械力的方式，将一个MgPc分子从它的一个构型转变到另一个构型。但是若利用时间依赖的超快力脉冲F(t)来操纵分子，分子则会出现一种连贯的受挫旋转（frustrated rotation），在某一个极小值内来回振荡（图1(c), (d)）。而利用具有原子级别“尖度”的超快力，即在STM针尖上加入强太赫兹激光脉冲，不仅可以控制MgPc的吸附构型转变，同时还会向分子的LUMO轨道注入一个电子，导致分子处于充电态。而处于激发态的MgPc倾向于延NaCl晶相吸附（图1（e）），当分子中的电子流入基底后，分子恢复基态，分子的吸附构型回落到或之中的一个构型中（图1（f））。

3. 如何给STM针尖加上太赫兹光？

由镱掺杂的钨酸钆钾再生激光放大器中的飞秒近红外脉冲的倾斜脉冲前光学能整流产生强锁相太赫兹脉冲，其中心频率为1.1THz。成对儿、相互延迟的太赫兹脉冲由穿过Michelson干涉仪的太赫兹脉冲产生。得到的太赫兹脉冲从STM腔外，通过腔体上的蓝宝石窗口入射到STM腔内，通过STM扫描装置上放置的抛物面镜聚焦到STM针尖上。

实验思路

1. 检测太赫兹脉冲诱导的分子构型转变

首先，寻找更简便的检测分子构型转变的实验手段：若将STM针尖放置在如图2（a）所示的位置处，当分子构型发生转变后，分子稍微远离针尖（图2（b）），此时STM探测到的隧穿电流会产生变化。因此只需要将针尖放置在一个固定位置处，跟踪此处隧穿电流随时间的变化，即获得I(t)谱，就可以知道分子是否发生了构型转变，并且可以得知分子是从哪个构型转变为哪个构型（图2（c））。

2. 证明超快脉冲力能改变MgPc的吸附构型

3. 研究泵浦-探测技术在针尖处于分子的不同位置时对分子构型转变几率的影响

总结：

参考文献

1. Peller, Dominik, et al. Sub-cycle atomic-scale forces coherently control a single-molecule switch. Nature 585.7823 58-62 (2020)

2. Wu, S. & Ho, W. Two-photon-induced hot-electron transfer to a single molecule in a scanning tunneling microscope. Phys. Rev. B 82, 085444 (2010).

3. Cocker, T. L. et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7, 620–625 (2013).