Die Empfindlichkeit eines Rastertunnelmikroskops verbessert sich um bis zu Faktor 50, wenn die übliche Spitze des Mikroskops durch eine supraleitende ersetzt wird. Die Technik, die von Forschern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Deutschland, entwickelt wurde, könnte beispiellose detaillierte Daten über Moleküle auf der Oberfläche eines Materials liefern. Solche Daten könnten Wissenschaftlern helfen, theoretische Methoden zum Verständnis und sogar zur Vorhersage der Eigenschaften eines Materials zu testen und zu verbessern.
Obwohl Schwingungsspektroskopie routinemäßig zur Untersuchung molekularer Eigenschaften und Wechselwirkungen eingesetzt wird, fehlt den meisten Techniken die räumliche Auflösung und Empfindlichkeit, um einzelne Moleküle zu untersuchen, erklärt der Teamleiter Richard Berndt. Während die inelastische Tunnelspektroskopie (IETS) mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) nicht unter diesem Problem leidet, hat die kleine Signalgröße des konventionellen IETS die Anzahl der Schwingungsmoden, die in einem Molekül beobachtet werden können, bisher auf 1 oder 2 begrenzt Modi von 3N (woher N ist die Anzahl der Atome im Molekül) ein typisches Maximum.
Viele Modi
„Unsere neue Technik erhöht die Empfindlichkeit des STM bisher um Faktoren bis zu 50, und als Ergebnis sehen wir viele Moden“, sagt Berndt Physik-Welt. „Es umgeht gleichzeitig die Auflösungsgrenze herkömmlicher IETS und ermöglicht es uns, detaillierte Daten zu den Schwingungsmoden eines Moleküls bereitzustellen und wie sich diese Moden ändern, wenn sie mit ihrer molekularen Umgebung interagieren.“
Die Forscher führten ihre Experimente im Ultrahochvakuum mit STMs bei 2.3 und 4.2 K durch. Als Probenmaterial wählten sie Blei-Phthalocyanin (PbPc) auf einer Oberfläche aus supraleitendem Blei. Diese Probe weist ein scharfes Merkmal auf, das als Yu-Shiba-Rusinov (YSR)-Resonanz bekannt ist und entsteht, wenn ein lokalisierter Spin, den die Forscher in ihrem Molekül präparierten, mit einem Supraleiter – in diesem Fall dem Bleisubstrat – interagiert. Da die Spitze ebenfalls supraleitend ist, steuert sie einen zusätzlichen ziemlich scharfen Signalpeak bei – den sogenannten Kohärenzpeak.
Elektronen durchqueren eine „verbotene“ Region
Als Berndt und Kollegen eine geeignete Spannung an das Mikroskop anlegten, tunnelten Elektronen vom Peak in der Spitze unelastisch zum YSR-Peak auf der Probe. Dazu mussten die Elektronen beim Tunneln zwischen Spitze und Substrat einen sogenannten „verbotenen“ Bereich durchqueren und kamen mit weniger Energie an, als sie ursprünglich hatten. Diese Energiedifferenz kommt von der Schwingungsanregung des PbPc-Moleküls und kann aus Änderungen des Leitwerts des Systems bestimmt werden. Mit dieser Technik konnten die Forscher das Signal (relativ zum Tunneln zwischen zwei normalen, nicht supraleitenden Oberflächen) um einen Faktor verstärken, der mit dem Produkt der beiden Peakhöhen zusammenhängt.
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Da die Experimente bei kryogenen Temperaturen stattfinden, werden die ersten Anwendungen der Technik in der Grundlagenforschung liegen, sagt Berndt. „Die Technik wird in beispielloser Weise detaillierte Daten über Moleküle an Oberflächen liefern können“, erklärt er. „Es wird uns auch helfen, die Wechselwirkungen zwischen Molekülen besser zu verstehen, die für Prozesse wie Selbstorganisation und Eigenschaften wie Magnetismus wichtig sind.“
Das Team versucht nun, seine Methode auf andere Molekülklassen auszudehnen. „Wir werden versuchen, die spektralen Intensitäten der verschiedenen Schwingungsmoleküle in diesen Molekülen zu verstehen“, sagt Berndt. „Derzeit kann die Modellierung die Modenenergien ziemlich gut reproduzieren, aber die Intensitäten passen kaum zu den experimentellen Daten. Wir denken, dass die Zeit, die ein Elektron während des Tunnelprozesses auf dem Molekül verbringt, eine Rolle spielen könnte – aber das ist bisher Spekulation. In jedem Fall wird die Erklärung der Intensitäten eine verlockende Nuss sein, die es zu knacken gilt.“
Die Forscher berichten in Physical Review Letters.
