Η ευαισθησία ενός μικροσκοπίου σάρωσης-σήραγγας βελτιώνεται έως και κατά 50, όταν το συνηθισμένο άκρο του μικροσκοπίου αντικαθίσταται από ένα υπεραγώγιμο. Η τεχνική, που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Christian-Albrechts στο Κίελο της Γερμανίας, θα μπορούσε να παρέχει πρωτοφανή επίπεδα λεπτομερών δεδομένων σχετικά με μόρια στην επιφάνεια ενός υλικού. Τέτοια δεδομένα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να δοκιμάσουν και να βελτιώσουν τις θεωρητικές μεθόδους για την κατανόηση και ακόμη και την πρόβλεψη των ιδιοτήτων ενός υλικού.
Αν και η φασματοσκοπία δόνησης χρησιμοποιείται τακτικά για την ανίχνευση μοριακών ιδιοτήτων και αλληλεπιδράσεων, οι περισσότερες τεχνικές δεν διαθέτουν τη χωρική ανάλυση και ευαισθησία σε ανιχνευτές μεμονωμένων μορίων, εξηγεί ο επικεφαλής της ομάδας Ρίτσαρντ Μπερντ. Ενώ η ανελαστική φασματοσκοπία σήραγγας (IETS) με μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) δεν πάσχει από αυτό το πρόβλημα, το μικρό μέγεθος σήματος του συμβατικού IETS έχει περιορίσει μέχρι στιγμής τον αριθμό των τρόπων δόνησης που μπορούν να παρατηρηθούν σε ένα μόριο, με 1 ή 2 λειτουργίες από 3N (που N είναι ο αριθμός των ατόμων στο μόριο) που είναι ένα τυπικό μέγιστο.
Πολλές λειτουργίες
«Η νέα μας τεχνική αυξάνει την ευαισθησία του STM, μέχρι στιγμής με παράγοντες έως και 50, και ως αποτέλεσμα βλέπουμε πολλές λειτουργίες», λέει ο Berndt. Κόσμος Φυσικής. "Ταυτόχρονα παρακάμπτει το όριο ανάλυσης του συμβατικού IETS, επιτρέποντάς μας να παρέχουμε λεπτομερή δεδομένα για τους τρόπους δόνησης ενός μορίου και πώς αυτοί οι τρόποι αλλάζουν όταν αλληλεπιδρούν με το μοριακό τους περιβάλλον."
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν τα πειράματά τους σε εξαιρετικά υψηλό κενό με STM που λειτουργούσαν στους 2.3 και 4.2 Κ. Για το δείγμα του υλικού τους, επέλεξαν να μελετήσουν την φθαλοκυανίνη μολύβδου (PbPc) σε μια επιφάνεια υπεραγώγιμου μολύβδου. Αυτό το δείγμα παρέχει ένα αιχμηρό χαρακτηριστικό γνωστό ως συντονισμός Yu-Shiba-Rusinov (YSR) που προκύπτει όταν ένα εντοπισμένο σπιν, το οποίο ετοίμασαν οι ερευνητές στο μόριο τους, αλληλεπιδρά με έναν υπεραγωγό - σε αυτή την περίπτωση, το υπόστρωμα μολύβδου. Δεδομένου ότι το άκρο είναι επίσης υπεραγώγιμο, συνεισφέρει μια πρόσθετη αρκετά ευκρινή κορυφή σήματος - τη λεγόμενη κορυφή συνοχής.
Τα ηλεκτρόνια διασχίζουν μια «απαγορευμένη» περιοχή
Όταν ο Berndt και οι συνεργάτες του εφάρμοσαν μια κατάλληλη τάση στο μικροσκόπιο, τα ηλεκτρόνια από την κορυφή στο άκρο διήλθαν ανελαστικά στην κορυφή YSR στο δείγμα. Για να γίνει αυτό, τα ηλεκτρόνια έπρεπε να διασχίσουν μια λεγόμενη «απαγορευμένη» περιοχή καθώς περνούσαν σήραγγα μεταξύ της κορυφής και του υποστρώματος και έφτασαν με λιγότερη ενέργεια από ό,τι ξεκίνησαν. Αυτή η διαφορά ενέργειας προέρχεται από τη διέγερση των δονήσεων του μορίου PbPc και μπορεί να προσδιοριστεί από αλλαγές στην αγωγιμότητα του συστήματος. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές μπόρεσαν να ενισχύσουν το σήμα (σε σχέση με τη σήραγγα μεταξύ δύο κανονικών, μη υπεραγώγιμων επιφανειών) με έναν παράγοντα που σχετίζεται με το γινόμενο των δύο υψών κορυφής.
Οποιοσδήποτε θα μπορούσε να εντοπιστεί χρησιμοποιώντας μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας
Δεδομένου ότι τα πειράματα γίνονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες, οι αρχικές εφαρμογές της τεχνικής θα είναι στη βασική επιστήμη, λέει ο Berndt. «Η τεχνική θα είναι σε θέση να παρέχει λεπτομερή δεδομένα για μόρια σε επιφάνειες με πρωτοφανή τρόπο», εξηγεί. «Θα μας βοηθήσει επίσης να κατανοήσουμε καλύτερα τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων, τα οποία είναι σημαντικά για διαδικασίες όπως η αυτοσυναρμολόγηση και ιδιότητες όπως ο μαγνητισμός».
Η ομάδα προσπαθεί τώρα να επεκτείνει τη μέθοδό της σε άλλες κατηγορίες μορίων. «Θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τις φασματικές εντάσεις των διαφόρων μορίων δόνησης σε αυτά τα μόρια», λέει ο Berndt. «Επί του παρόντος, η μοντελοποίηση μπορεί να αναπαράγει αρκετά καλά τις ενέργειες των τρόπων λειτουργίας, αλλά οι εντάσεις δύσκολα ταιριάζουν με τα πειραματικά δεδομένα. Πιστεύουμε ότι ο χρόνος που αφιερώνει ένα ηλεκτρόνιο στο μόριο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάνοιξης σήραγγας μπορεί να παίζει ρόλο – αλλά μέχρι στιγμής αυτό είναι εικασία. Σε κάθε περίπτωση, η εξήγηση των εντάσεων θα είναι ένα δελεαστικό καρύδι».
Οι ερευνητές αναφέρουν την εργασία τους στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.
