حساسیت یک میکروسکوپ روبشی-تونل زنی تا ضریب 50 بهبود می یابد زمانی که نوک معمولی میکروسکوپ با یک میکروسکوپ ابررسانا جایگزین می شود. این تکنیک که توسط محققان دانشگاه Christian-Albrechts در کیل، آلمان توسعه یافته است، می تواند سطوح بی سابقه ای از داده های دقیق در مورد مولکول های روی سطح یک ماده را ارائه دهد. چنین داده‌هایی می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا روش‌های نظری را برای درک و حتی پیش‌بینی خواص یک ماده آزمایش کرده و بهبود بخشند.
رهبر تیم توضیح می دهد که اگرچه طیف سنجی ارتعاشی به طور معمول برای بررسی خواص و برهمکنش های مولکولی استفاده می شود، اکثر تکنیک ها فاقد وضوح مکانی و حساسیت به کاوشگر تک مولکول هستند. ریچارد برنت. در حالی که طیف‌سنجی تونل زنی غیرالاستیک (IETS) با میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) از این مشکل رنج نمی‌برد، اندازه سیگنال کوچک IETS معمولی تاکنون تعداد حالت‌های ارتعاشی را که می‌توان در یک مولکول مشاهده کرد، با 1 یا 2 محدود کرده است. حالت از 3N (جایی که N تعداد اتم های موجود در مولکول است) که حداکثر معمولی است.
حالت های فراوان
Berndt می گوید: "تکنیک جدید ما حساسیت STM را تا کنون تا 50 فاکتور افزایش می دهد و در نتیجه ما حالت های زیادی را مشاهده می کنیم." دنیای فیزیک. "این به طور همزمان محدودیت وضوح IETS معمولی را دور می زند و به ما امکان می دهد داده های دقیقی در مورد حالت های ارتعاشی یک مولکول و نحوه تغییر این حالت ها هنگام تعامل با محیط مولکولی خود ارائه دهیم."
محققان آزمایش‌های خود را در خلاء فوق‌العاده بالا با STMهایی که در 2.3 و 4.2 کلوین کار می‌کردند انجام دادند. آنها برای نمونه نمونه خود، مطالعه سرب-فتالوسیانین (PbPc) را روی سطحی از سرب ابررسانا انتخاب کردند. این نمونه یک ویژگی واضح به نام رزونانس Yu-Shiba-Rusinov (YSR) ارائه می‌کند که وقتی یک چرخش موضعی، که محققان در مولکول خود تهیه کردند، با یک ابررسانا – در این مورد، بستر سرب، برهمکنش می‌کند. از آنجایی که نوک آن نیز ابررسانا است، یک پیک سیگنال نسبتاً تیز اضافی را ایجاد می کند - به اصطلاح اوج انسجام.
الکترون ها از یک منطقه "ممنوع" عبور می کنند
زمانی که Berndt و همکارانش ولتاژ مناسبی را به میکروسکوپ اعمال کردند، الکترون‌ها از قله نوک به طور غیرکشسانی به قله YSR روی نمونه تونل زدند. برای انجام این کار، الکترون‌ها باید از یک منطقه به اصطلاح «ممنوع» عبور می‌کردند که بین نوک و زیرلایه تونل می‌زدند، و با انرژی کمتری نسبت به آنچه که شروع کردند، رسیدند. این تفاوت انرژی ناشی از تحریک ارتعاشات مولکول PbPc است و می توان آن را از تغییرات رسانایی سیستم مشخص کرد. با استفاده از این تکنیک، محققان توانستند سیگنال (نسبت به تونل زدن بین دو سطح عادی و غیر ابررسانا) را با عاملی که به حاصلضرب دو ارتفاع قله مربوط می شود، تقویت کنند.
هر کسی را می توان با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی تشخیص داد
برندت می‌گوید از آنجایی که آزمایش‌ها در دماهای برودتی انجام می‌شوند، کاربردهای اولیه این تکنیک در علوم پایه خواهد بود. او توضیح می‌دهد: «این تکنیک می‌تواند داده‌های دقیقی را در مورد مولکول‌ها در سطوح به شکلی بی‌سابقه ارائه دهد. همچنین به ما کمک می‌کند تا تعاملات بین مولکول‌ها را که برای فرآیندهایی مانند خودآرایی و خواصی مانند مغناطیس مهم هستند، درک کنیم.
این تیم اکنون در تلاش است تا روش خود را به کلاس‌های دیگر مولکول‌ها گسترش دهد. برنت می گوید: «ما تلاش خواهیم کرد تا شدت طیفی مولکول های ارتعاشی مختلف در این مولکول ها را درک کنیم. «در حال حاضر، مدل‌سازی می‌تواند انرژی‌های حالت را به خوبی بازتولید کند، اما شدت‌ها به سختی با داده‌های تجربی مطابقت دارند. ما فکر می‌کنیم زمانی که یک الکترون در طول فرآیند تونل‌زنی روی مولکول صرف می‌کند ممکن است نقشی داشته باشد - اما تا اینجا حدس و گمان است. در هر صورت، توضیح شدت‌ها یک مهره وسوسه‌انگیز خواهد بود.»
محققان گزارش کار خود را در Physical Review Letters به.
