Sensitivitas mikroskop scanning-tunneling meningkat hingga faktor 50 saat ujung mikroskop yang biasa diganti dengan yang superkonduktor. Teknik yang dikembangkan oleh para peneliti di Christian-Albrechts-University di Kiel, Jerman, dapat memberikan tingkat data detail yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang molekul pada permukaan suatu material. Data tersebut dapat membantu para ilmuwan menguji dan meningkatkan metode teoretis untuk memahami dan bahkan memprediksi sifat material.
Meskipun spektroskopi vibrasi secara rutin digunakan untuk menyelidiki sifat dan interaksi molekuler, sebagian besar teknik tidak memiliki resolusi spasial dan kepekaan untuk menyelidiki molekul tunggal, jelas pemimpin tim Richard Berndt. Sementara spektroskopi tunneling inelastis (IETS) dengan mikroskop tunneling pemindaian (STM) tidak mengalami masalah ini, ukuran sinyal kecil IETS konvensional sejauh ini membatasi jumlah mode getaran yang dapat diamati dalam molekul, dengan 1 atau 2 mode dari 3N (dimana N adalah jumlah atom dalam molekul) menjadi maksimum yang khas.
Banyak mode
“Teknik baru kami meningkatkan sensitivitas STM, sejauh ini hingga 50 faktor, dan sebagai hasilnya kami melihat banyak mode,” kata Berndt. Dunia Fisika. “Ini secara bersamaan menghindari batas resolusi IETS konvensional, memungkinkan kami memberikan data terperinci tentang mode getaran molekul dan bagaimana mode ini berubah ketika mereka berinteraksi dengan lingkungan molekulernya.”
Para peneliti melakukan percobaan mereka dalam vakum ultra-tinggi dengan STM yang beroperasi pada 2.3 dan 4.2 K. Untuk bahan sampel mereka, mereka memilih untuk mempelajari timbal-phthalocyanine (PbPc) pada permukaan timbal superkonduktor. Sampel ini memberikan fitur tajam yang dikenal sebagai resonansi Yu-Shiba-Rusinov (YSR) yang muncul ketika putaran lokal, yang disiapkan para peneliti dalam molekulnya, berinteraksi dengan superkonduktor – dalam hal ini, substrat timbal. Karena ujungnya juga superkonduktor, ia menyumbangkan puncak sinyal tambahan yang cukup tajam – yang disebut puncak koherensi.
Elektron melintasi wilayah "terlarang".
Ketika Berndt dan rekan menerapkan tegangan yang sesuai ke mikroskop, elektron dari puncak di ujung inelastis terowongan ke puncak YSR pada sampel. Untuk melakukannya, elektron harus melintasi apa yang disebut wilayah "terlarang" saat mereka menembus antara ujung dan substrat, dan mereka tiba dengan energi lebih sedikit daripada yang mereka mulai. Perbedaan energi ini berasal dari eksitasi vibrasi molekul PbPc dan dapat ditentukan dari perubahan konduktansi sistem. Dengan menggunakan teknik ini, para peneliti dapat meningkatkan sinyal (relatif terhadap tunneling antara dua permukaan normal non-superkonduktor) dengan faktor yang terkait dengan produk dari dua ketinggian puncak.
Siapa pun dapat terlihat menggunakan pemindaian tunneling microscopy
Karena percobaan berlangsung pada suhu kriogenik, penerapan awal teknik ini akan dilakukan dalam sains dasar, kata Berndt. “Teknik ini akan dapat memberikan data rinci tentang molekul di permukaan dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya,” jelasnya. “Ini juga akan membantu kita lebih memahami interaksi antar molekul, yang penting untuk proses seperti perakitan sendiri dan sifat seperti magnet.”
Tim tersebut sekarang mencoba memperluas metodenya ke kelas molekul lain. “Kami akan berusaha memahami intensitas spektral dari berbagai molekul vibrasi dalam molekul ini,” kata Berndt. “Saat ini, pemodelan dapat mereproduksi energi mode dengan cukup baik, tetapi intensitasnya hampir tidak sesuai dengan data eksperimen. Kami berpikir bahwa waktu yang dihabiskan elektron pada molekul selama proses tunneling mungkin berperan – tetapi sejauh ini itu hanya spekulasi. Bagaimanapun, menjelaskan intensitasnya akan menjadi hal yang menggiurkan untuk dipecahkan.
Para peneliti melaporkan pekerjaan mereka di Physical Review Letters.
