Følsomheden af et scanning-tunnelmikroskop forbedres med op til en faktor 50, når mikroskopets sædvanlige spids erstattes af en superledende. Teknikken, udviklet af forskere ved Christian-Albrechts-Universitetet i Kiel, Tyskland, kunne give hidtil usete niveauer af detaljerede data om molekyler på overfladen af et materiale. Sådanne data kan hjælpe videnskabsmænd med at teste og forbedre teoretiske metoder til at forstå og endda forudsige et materiales egenskaber.
Selvom vibrationsspektroskopi rutinemæssigt anvendes til at sondere molekylære egenskaber og interaktioner, mangler de fleste teknikker den rumlige opløsning og følsomhed over for probe enkelte molekyler, forklarer teamleder Richard Berndt. Mens uelastisk tunnelspektroskopi (IETS) med et scanning tunneling mikroskop (STM) ikke lider af dette problem, har den lille signalstørrelse af konventionel IETS indtil videre begrænset antallet af vibrationstilstande, der kan observeres i et molekyle, med 1 eller 2 tilstande ud af 3N (hvor N er antallet af atomer i molekylet), hvilket er et typisk maksimum.
Masser af modes
"Vores nye teknik øger følsomheden af STM, indtil videre med faktorer op til 50, og som et resultat ser vi masser af tilstande," fortæller Berndt Fysik verden. "Det omgår samtidig opløsningsgrænsen for konventionel IETS, hvilket giver os mulighed for at levere detaljerede data om et molekyles vibrationstilstande, og hvordan disse tilstande ændrer sig, når de interagerer med deres molekylære miljø."
Forskerne udførte deres eksperimenter i ultrahøjt vakuum med STM'er, der opererede ved 2.3 og 4.2 K. Til deres prøvemateriale valgte de at studere bly-phthalocyanin (PbPc) på en overflade af superledende bly. Denne prøve giver et skarpt træk kendt som en Yu-Shiba-Rusinov (YSR) resonans, der opstår, når et lokaliseret spin, som forskerne fremstillede i deres molekyle, interagerer med en superleder - i dette tilfælde blysubstratet. Da spidsen også er superledende, bidrager den med en yderligere ret skarp signalspids – den såkaldte kohærensspids.
Elektroner krydser et "forbudt" område
Da Berndt og kolleger påførte en passende spænding til mikroskopet, tunnelerede elektroner fra toppen i spidsen uelastisk til YSR-toppen på prøven. For at gøre det skulle elektronerne krydse et såkaldt "forbudt" område, da de tunnelerede mellem spidsen og substratet, og de ankom med mindre energi, end de startede med. Denne energiforskel kommer fra excitationen af vibrationer af PbPc-molekylet, og den kan bestemmes ud fra ændringer i systemets konduktans. Ved hjælp af denne teknik var forskerne i stand til at forbedre signalet (i forhold til tunnelering mellem to normale, ikke-superledende overflader) med en faktor, der er relateret til produktet af de to tophøjder.
Enhver kunne spottes ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi
Da eksperimenterne foregår ved kryogene temperaturer, vil teknikkens indledende anvendelser være i grundvidenskaben, siger Berndt. "Teknikken vil være i stand til at give detaljerede data om molekyler på overflader på en hidtil uset måde," forklarer han. "Det vil også hjælpe os med bedre at forstå interaktionerne mellem molekyler, som er vigtige for processer som selvsamling og egenskaber som magnetisme."
Holdet forsøger nu at udvide sin metode til andre klasser af molekyler. "Vi vil forsøge at forstå de spektrale intensiteter af de forskellige vibrationsmolekyler i disse molekyler," siger Berndt. "I øjeblikket kan modellering reproducere tilstandsenergierne ret godt, men intensiteterne matcher næppe de eksperimentelle data. Vi tror, at den tid en elektron bruger på molekylet under tunnelprocessen kan spille en rolle - men indtil videre er det spekulation. Under alle omstændigheder vil det være en fristende nød at knække, at forklare intensiteterne."
Forskerne rapporterer deres arbejde i Physical Review Letters.
