Наночастица в поле фемтосекундного лазерного импульса с заданной формой волны и поляризацией. Контролируемое усиление поля в определенных наноскопических областях наночастицы (желтые пятна) индуцирует сайт-селективные фотохимические реакции молекул, адсорбированных на поверхности. Визуализация молекулярных фрагментов, испускаемых из этих областей, позволяет полностью оптически контролировать места реакции с нанометровым разрешением. Кредит: RMT.Bergues

Управление сильными электромагнитными полями на наночастицах является ключом к запуску целевых молекулярных реакций на их поверхности. Такой контроль над сильными полями достигается с помощью лазерного излучения. Хотя лазерно-индуцированное образование и разрыв молекулярных связей на поверхности наночастиц наблюдались в прошлом, наноскопический оптический контроль над поверхностными реакциями еще не достигнут. Международная группа под руководством доктора Бориса Бергеса и профессора Матиаса Клинга из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в сотрудничестве со Стэнфордским университетом закрыла этот пробел. Физики впервые определили локализацию фотоиндуцированных молекулярных реакций на поверхности изолированных наночастиц диоксида кремния с помощью ультракоротких лазерных импульсов.

На поверхности наночастиц царит суета. Молекулы стыкуются, растворяются и меняют свое местоположение. Все это запускает химические реакции , изменяет материю и даже дает начало новым материалам . Событиями в нанокосмосе можно управлять с помощью электромагнитных полей. Это было продемонстрировано группой под руководством доктора Бориса Бергеса и профессора Матиаса Клинга из Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. С этой целью исследователи использовали мощные фемтосекундные лазерные импульсы для создания локализованных полей на поверхности изолированных наночастиц. Фемтосекунда — это одна миллионная миллиардной доли секунды.

Используя так называемую реакционную наноскопию, новый метод, недавно разработанный той же группой, физики смогли отобразить место реакции и место рождения молекулярных фрагментов на поверхности наночастиц кремнезема — с разрешением лучше 20 нанометров. Наноскопический пространственный контроль, достижимый при еще более высоком разрешении, был достигнут учеными путем наложения полей двух лазерных импульсов с разным цветом и контролируемой формой волны и поляризацией. Таким образом, они должны были установить временную задержку между двумя импульсами с точностью до аттосекунды. Аттосекунда по-прежнему в тысячу раз короче фемтосекунды. При взаимодействии с этим подобранным светом поверхность наночастиц и адсорбированные на ней молекулы ионизировались в целевых местах, что приводило к диссоциации молекул на различные фрагменты.

«Молекулярные поверхностные реакции на наночастицы играют фундаментальную роль в нанокатализе. Они могут стать ключом к производству экологически чистой энергии, в частности, посредством фотокаталитического расщепления воды», — объясняет Матиас Клинг. «Наши результаты также открывают путь к отслеживанию фотокаталитических реакций на наночастицах не только с нанометровым пространственным разрешением, но и с фемтосекундным временным разрешением. Это обеспечит детальное понимание поверхностных процессов в естественных пространственных и временных масштабах их динамики», — добавляет Борис. Берг.

Ученые ожидают, что этот многообещающий новый подход может быть применен к многочисленным сложным изолированным наноструктурированным материалам. Их исследование опубликовано в Optica.