تتحسن حساسية مجهر المسح النفقي بنسبة تصل إلى 50 عاملاً عندما يتم استبدال رأس المجهر المعتاد بطرف فائق التوصيل. هذه التقنية ، التي طورها باحثون في جامعة كريستيان ألبريشت في كيل بألمانيا ، يمكن أن توفر مستويات غير مسبوقة من البيانات التفصيلية حول الجزيئات الموجودة على سطح المادة. يمكن أن تساعد مثل هذه البيانات العلماء في اختبار وتحسين الأساليب النظرية لفهم وحتى التنبؤ بخصائص المادة.
على الرغم من استخدام التحليل الطيفي الاهتزازي بشكل روتيني لاستكشاف الخصائص والتفاعلات الجزيئية ، إلا أن معظم التقنيات تفتقر إلى الدقة المكانية والحساسية لسبر الجزيئات المفردة ، كما يوضح قائد الفريق ريتشارد بيرندت. في حين أن التحليل الطيفي للأنفاق غير المرنة (IETS) باستخدام مجهر المسح النفقي (STM) لا يعاني من هذه المشكلة ، فإن حجم الإشارة الصغير لـ IETS التقليدي قد حد حتى الآن من عدد الأوضاع الاهتزازية التي يمكن ملاحظتها في الجزيء ، مع 1 أو 2 أوضاع من أصل 3N (أين N هو عدد الذرات في الجزيء) كحد أقصى نموذجي.
الكثير من الأوضاع
يقول بيرندت: "تزيد تقنيتنا الجديدة من حساسية STM ، حتى الآن من خلال عوامل تصل إلى 50 ، ونتيجة لذلك نرى الكثير من الأوضاع" عالم الفيزياء. "إنه يتحايل في نفس الوقت على حد الدقة لـ IETS التقليدي ، مما يسمح لنا بتقديم بيانات مفصلة عن أنماط الاهتزاز للجزيء وكيف تتغير هذه الأوضاع عندما تتفاعل مع بيئتها الجزيئية."
أجرى الباحثون تجاربهم في الفراغ الفائق باستخدام STMs تعمل عند 2.3 و 4.2 كلفن لعينة المواد ، اختاروا دراسة الرصاص فثالوسيانين (PbPc) على سطح من الرصاص فائق التوصيل. توفر هذه العينة ميزة حادة تُعرف باسم صدى Yu-Shiba-Rusinov (YSR) الذي ينشأ عندما يتفاعل دوران موضعي ، والذي أعده الباحثون في جزيئهم ، مع موصل فائق - في هذه الحالة ، الركيزة الرئيسية. نظرًا لأن الطرف أيضًا فائق التوصيل ، فإنه يساهم في ذروة إشارة إضافية حادة إلى حد ما - ما يسمى ذروة التماسك.
تعبر الإلكترونات منطقة "محظورة"
عندما طبق بيرندت وزملاؤه جهدًا مناسبًا للميكروسكوب ، فإن الإلكترونات من الذروة في طرفها نفق بشكل غير مرن إلى ذروة YSR في العينة. للقيام بذلك ، كان على الإلكترونات عبور ما يسمى بالمنطقة "المحظورة" لأنها تتنقل بين الطرف والركيزة ، ووصلت بطاقة أقل مما كانت عليه في البداية. يأتي فرق الطاقة هذا من إثارة اهتزازات جزيء PbPc ويمكن تحديده من التغييرات في توصيل النظام. باستخدام هذه التقنية ، تمكن الباحثون من تعزيز الإشارة (بالنسبة إلى النفق بين سطحين عاديين غير فائقين التوصيل) بواسطة عامل مرتبط بمنتج مرتفعي الذروة.
يمكن رصد أي شخص باستخدام الفحص المجهري للمسح النفقي
نظرًا لأن التجارب تجري في درجات حرارة شديدة البرودة ، فإن التطبيقات الأولية لهذه التقنية ستكون في العلوم الأساسية ، كما يقول بيرندت. ويشرح قائلاً: "ستكون هذه التقنية قادرة على توفير بيانات مفصلة عن الجزيئات الموجودة على الأسطح بطريقة غير مسبوقة". "سيساعدنا أيضًا على فهم التفاعلات بين الجزيئات بشكل أفضل ، والتي تعتبر مهمة لعمليات مثل التجميع الذاتي وخصائص مثل المغناطيسية."
يحاول الفريق الآن توسيع طريقته لتشمل فئات أخرى من الجزيئات. يقول بيرندت: "سنحاول فهم شدة طيف الجزيئات الاهتزازية المختلفة في هذه الجزيئات". "حاليًا ، يمكن للنمذجة إعادة إنتاج طاقات الوضع بشكل جيد إلى حد ما ، لكن الشدة بالكاد تتطابق مع البيانات التجريبية. نعتقد أن الوقت الذي يقضيه الإلكترون على الجزيء أثناء عملية النفق قد يلعب دورًا - ولكن حتى الآن هذا هو التخمين. على أي حال ، فإن شرح الشدة سيكون أمرًا محيرًا للتصدع ".
أبلغ الباحثون عن عملهم في استعراض للحروف البدنية.
