Pyyhkäisytunnelointimikroskoopin herkkyys paranee jopa 50-kertaiseksi, kun mikroskoopin tavallinen kärki korvataan suprajohtavalla. Tekniikka, jonka ovat kehittäneet Christian-Albrechts-yliopiston tutkijat Kielissä, Saksassa, voisivat tarjota ennennäkemättömän paljon yksityiskohtaista tietoa materiaalin pinnalla olevista molekyyleistä. Tällaiset tiedot voivat auttaa tutkijoita testaamaan ja parantamaan teoreettisia menetelmiä materiaalin ominaisuuksien ymmärtämiseksi ja jopa ennustamiseksi.
Vaikka värähtelyspektroskopiaa käytetään rutiininomaisesti molekyylien ominaisuuksien ja vuorovaikutusten tutkimiseen, useimmilta tekniikoilta puuttuu spatiaalinen resoluutio ja herkkyys yksittäisten molekyylien tutkimiseen, selittää ryhmän johtaja. Richard Berndt. Vaikka joustamaton tunnelointispektroskopia (IETS) pyyhkäisytunnelimikroskoopilla (STM) ei kärsi tästä ongelmasta, tavanomaisen IETS:n pieni signaalikoko on toistaiseksi rajoittanut molekyylissä havaittavien värähtelymuotojen määrää 1 tai 2 tilat 3:staN (missä N on atomien lukumäärä molekyylissä) on tyypillinen maksimi.
Paljon tiloja
"Uusi tekniikkamme lisää STM:n herkkyyttä, toistaiseksi jopa 50 kertoimella, ja sen seurauksena näemme paljon tiloja", Berndt kertoo. Fysiikan maailma. "Se kiertää samanaikaisesti tavanomaisen IETS:n resoluutiorajan, jolloin voimme tarjota yksityiskohtaista tietoa molekyylin värähtelytiloista ja siitä, kuinka nämä tilat muuttuvat, kun ne ovat vuorovaikutuksessa molekyyliympäristönsä kanssa."
Tutkijat suorittivat kokeensa ultrakorkeassa tyhjiössä STM:illä, jotka toimivat 2.3 ja 4.2 K:n lämpötiloissa. Näytteen materiaalia varten he päättivät tutkia lyijy-ftalosyaniinia (PbPc) suprajohtavan lyijyn pinnalla. Tämä näyte tarjoaa terävän ominaisuuden, joka tunnetaan nimellä Yu-Shiba-Rusinov (YSR) -resonanssi, joka syntyy, kun paikallinen spin, jonka tutkijat valmistivat molekyylissään, on vuorovaikutuksessa suprajohteen - tässä tapauksessa lyijysubstraatin - kanssa. Koska kärki on myös suprajohtava, se tuo mukanaan ylimääräisen melko terävän signaalihuipun – niin sanotun koherenssihuipun.
Elektronit ylittävät "kielletyn" alueen
Kun Berndt ja kollegat asettivat sopivan jännitteen mikroskoopille, elektronit kärjen huipusta tunneloituivat kimmottomasti näytteen YSR-huippuun. Tätä varten elektronien piti ylittää niin sanottu "kielletty" alue tunneloituessaan kärjen ja substraatin väliin, ja ne saapuivat pienemmällä energialla kuin aloittivat. Tämä energiaero tulee PbPc-molekyylin värähtelyjen virityksestä ja se voidaan määrittää järjestelmän johtavuuden muutoksista. Tätä tekniikkaa käyttämällä tutkijat pystyivät parantamaan signaalia (suhteessa kahden normaalin, ei-suprajohtavan pinnan väliseen tunnelointiin) tekijällä, joka liittyy kahden huipun korkeuden tuloon.
Kuka tahansa voitiin havaita pyyhkäisytunnelimikroskoopilla
Koska kokeet tapahtuvat kryogeenisissa lämpötiloissa, tekniikan ensimmäiset sovellukset ovat perustieteitä, Berndt sanoo. "Tekniikka pystyy tarjoamaan yksityiskohtaista tietoa molekyyleistä pinnoilla ennennäkemättömällä tavalla", hän selittää. "Se auttaa meitä myös ymmärtämään paremmin molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, jotka ovat tärkeitä prosesseille, kuten itsekokoonpanolle ja ominaisuuksille, kuten magnetismille."
Ryhmä yrittää nyt laajentaa menetelmäänsä muihin molekyyliluokkiin. "Yritämme ymmärtää näiden molekyylien eri värähtelymolekyylien spektrivoimakkuuksia", Berndt sanoo. ”Tällä hetkellä mallinnus pystyy toistamaan tilaenergiat melko hyvin, mutta intensiteetit tuskin vastaa kokeellista dataa. Uskomme, että aika, jonka elektroni viettää molekyyliin tunnelointiprosessin aikana, saattaa vaikuttaa asiaan – mutta toistaiseksi se on spekulaatiota. Joka tapauksessa intensiteettien selittäminen on kiehtovaa pähkinää.”
Tutkijat raportoivat työstään vuonna Fyysisen tarkastelun kirjaimet.
