La sensibilité d'un microscope à effet tunnel est améliorée jusqu'à un facteur 50 lorsque la pointe habituelle du microscope est remplacée par une pointe supraconductrice. La technique, développée par des chercheurs de l'Université Christian-Albrechts de Kiel, en Allemagne, pourrait fournir des niveaux sans précédent de données détaillées sur les molécules à la surface d'un matériau. De telles données pourraient aider les scientifiques à tester et à améliorer les méthodes théoriques pour comprendre et même prédire les propriétés d'un matériau.
Bien que la spectroscopie vibrationnelle soit couramment utilisée pour sonder les propriétés et les interactions moléculaires, la plupart des techniques manquent de résolution spatiale et de sensibilité pour sonder des molécules uniques, explique le chef d'équipe Richard Berndt. Alors que la spectroscopie à effet tunnel inélastique (IETS) avec un microscope à effet tunnel (STM) ne souffre pas de ce problème, la petite taille du signal de l'IETS conventionnel a jusqu'à présent limité le nombre de modes vibrationnels pouvant être observés dans une molécule, avec 1 ou 2 modes sur 3.N (OÙ N est le nombre d'atomes dans la molécule) étant un maximum typique.
De nombreux modes
"Notre nouvelle technique augmente la sensibilité du STM, jusqu'à présent par des facteurs allant jusqu'à 50, et par conséquent, nous voyons de nombreux modes", a déclaré Berndt. Monde de la physique. "Il contourne simultanément la limite de résolution de l'IETS conventionnel, nous permettant de fournir des données détaillées sur les modes vibrationnels d'une molécule et sur la façon dont ces modes changent lorsqu'ils interagissent avec leur environnement moléculaire."
Les chercheurs ont réalisé leurs expériences en ultra-vide avec des STM fonctionnant à 2.3 et 4.2 K. Pour leur matériau d'échantillon, ils ont choisi d'étudier la phtalocyanine de plomb (PbPc) sur une surface de plomb supraconducteur. Cet échantillon fournit une caractéristique nette connue sous le nom de résonance Yu-Shiba-Rusinov (YSR) qui se produit lorsqu'un spin localisé, que les chercheurs ont préparé dans leur molécule, interagit avec un supraconducteur - dans ce cas, le substrat de plomb. Étant donné que la pointe est également supraconductrice, elle contribue à un pic de signal supplémentaire assez net - le soi-disant pic de cohérence.
Les électrons traversent une région "interdite"
Lorsque Berndt et ses collègues ont appliqué une tension appropriée au microscope, les électrons du pic de la pointe se sont tunnellisés de manière inélastique vers le pic YSR de l'échantillon. Pour ce faire, les électrons devaient traverser une région dite « interdite » en tunnelisant entre la pointe et le substrat, et ils arrivaient avec moins d'énergie qu'au départ. Cette différence d'énergie provient de l'excitation des vibrations de la molécule de PbPc et peut être déterminée à partir des changements de conductance du système. En utilisant cette technique, les chercheurs ont pu améliorer le signal (par rapport à l'effet tunnel entre deux surfaces normales non supraconductrices) d'un facteur lié au produit des deux hauteurs de pic.
N'importe qui pourrait être repéré à l'aide de la microscopie à effet tunnel
Étant donné que les expériences se déroulent à des températures cryogéniques, les premières applications de la technique seront en science fondamentale, explique Berndt. "La technique sera en mesure de fournir des données détaillées sur les molécules à la surface d'une manière sans précédent", explique-t-il. "Cela nous aidera également à mieux comprendre les interactions entre les molécules, qui sont importantes pour des processus tels que l'auto-assemblage et des propriétés telles que le magnétisme."
L'équipe tente maintenant d'étendre sa méthode à d'autres classes de molécules. "Nous tenterons de comprendre les intensités spectrales des différentes molécules vibrationnelles de ces molécules", déclare Berndt. « Actuellement, la modélisation permet de reproduire assez bien les énergies des modes, mais les intensités ne correspondent guère aux données expérimentales. Nous pensons que le temps qu'un électron passe sur la molécule pendant le processus de tunnelisation peut jouer un rôle - mais jusqu'à présent, ce n'est que spéculation. Dans tous les cas, expliquer les intensités sera une noix alléchante à casser.
Les chercheurs rapportent leurs travaux dans Physical Review Letters.
