La sensibilidad de un microscopio de túnel de barrido mejora hasta en un factor de 50 cuando la punta habitual del microscopio se reemplaza por una superconductora. La técnica, desarrollada por investigadores de la Universidad Christian-Albrechts en Kiel, Alemania, podría proporcionar niveles sin precedentes de datos detallados sobre las moléculas en la superficie de un material. Dichos datos podrían ayudar a los científicos a probar y mejorar los métodos teóricos para comprender e incluso predecir las propiedades de un material.
Aunque la espectroscopia vibratoria se emplea de forma rutinaria para sondear las propiedades e interacciones moleculares, la mayoría de las técnicas carecen de la resolución espacial y la sensibilidad para sondear moléculas individuales, explica el líder del equipo. Ricardo Berndt. Si bien la espectroscopia de efecto túnel inelástico (IETS) con un microscopio de efecto túnel (STM) no sufre este problema, el pequeño tamaño de la señal del IETS convencional ha limitado hasta ahora el número de modos de vibración que se pueden observar en una molécula, con 1 o 2 modos de 3N (dónde N es el número de átomos en la molécula) siendo un máximo típico.
Muchos modos
“Nuestra nueva técnica aumenta la sensibilidad del STM, hasta ahora por factores de hasta 50, y como resultado vemos muchos modos”, dice Berndt. Mundo de la física. "Elude simultáneamente el límite de resolución de IETS convencional, lo que nos permite proporcionar datos detallados sobre los modos de vibración de una molécula y cómo estos modos cambian cuando interactúan con su entorno molecular".
Los investigadores llevaron a cabo sus experimentos en vacío ultraalto con STM que funcionan a 2.3 y 4.2 K. Para su material de muestra, eligieron estudiar plomo-ftalocianina (PbPc) en una superficie de plomo superconductor. Esta muestra proporciona una característica aguda conocida como resonancia Yu-Shiba-Rusinov (YSR) que surge cuando un espín localizado, que los investigadores prepararon en su molécula, interactúa con un superconductor, en este caso, el sustrato de plomo. Dado que la punta también es superconductora, contribuye con un pico de señal adicional bastante nítido: el llamado pico de coherencia.
Los electrones cruzan una región "prohibida"
Cuando Berndt y sus colegas aplicaron un voltaje adecuado al microscopio, los electrones del pico en la punta se canalizaron de manera inelástica hacia el pico YSR en la muestra. Para hacerlo, los electrones tenían que cruzar una región llamada "prohibida" mientras hacían un túnel entre la punta y el sustrato, y llegaron con menos energía de la que tenían al principio. Esta diferencia de energía proviene de la excitación de vibraciones de la molécula de PbPc y puede determinarse a partir de cambios en la conductancia del sistema. Usando esta técnica, los investigadores pudieron mejorar la señal (en relación con el túnel entre dos superficies normales no superconductoras) por un factor que está relacionado con el producto de las dos alturas máximas.
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Dado que los experimentos tienen lugar a temperaturas criogénicas, las aplicaciones iniciales de la técnica estarán en la ciencia básica, dice Berndt. “La técnica podrá proporcionar datos detallados sobre las moléculas en las superficies de una manera sin precedentes”, explica. “También nos ayudará a comprender mejor las interacciones entre las moléculas, que son importantes para procesos como el autoensamblaje y propiedades como el magnetismo”.
El equipo ahora está tratando de extender su método a otras clases de moléculas. “Intentaremos comprender las intensidades espectrales de las diversas moléculas vibratorias en estas moléculas”, dice Berndt. “Actualmente, el modelado puede reproducir bastante bien las energías del modo, pero las intensidades apenas coinciden con los datos experimentales. Creemos que el tiempo que un electrón pasa en la molécula durante el proceso de túnel puede desempeñar un papel, pero hasta ahora eso es especulación. En cualquier caso, explicar las intensidades será una tuerca tentadora para roer”.
Los investigadores informan de su trabajo en Physical Review Letters.
