La sensibilità di un microscopio a scansione tunnel migliora fino a un fattore 50 quando la punta abituale del microscopio viene sostituita da una superconduttrice. La tecnica, sviluppata dai ricercatori della Christian-Albrechts-University di Kiel, in Germania, potrebbe fornire livelli senza precedenti di dati dettagliati sulle molecole sulla superficie di un materiale. Tali dati potrebbero aiutare gli scienziati a testare e migliorare i metodi teorici per comprendere e persino prevedere le proprietà di un materiale.
Sebbene la spettroscopia vibrazionale sia abitualmente impiegata per sondare le proprietà e le interazioni molecolari, la maggior parte delle tecniche non ha la risoluzione spaziale e la sensibilità per sondare singole molecole, spiega il leader del team Richard Berndt. Sebbene la spettroscopia di tunneling anelastico (IETS) con un microscopio a tunneling a scansione (STM) non soffra di questo problema, la piccola dimensione del segnale dell'IETS convenzionale ha finora limitato il numero di modalità vibrazionali che possono essere osservate in una molecola, con 1 o 2 modalità su 3N (dove N è il numero di atomi nella molecola) essendo un massimo tipico.
Un sacco di modalità
"La nostra nuova tecnica aumenta la sensibilità dell'STM, finora di fattori fino a 50, e di conseguenza vediamo molte modalità", dice Berndt Mondo della fisica. "Elude contemporaneamente il limite di risoluzione dell'IETS convenzionale, consentendoci di fornire dati dettagliati sui modi vibrazionali di una molecola e su come questi modi cambiano quando interagiscono con il loro ambiente molecolare".
I ricercatori hanno condotto i loro esperimenti in ultra-alto vuoto con STM operanti a 2.3 e 4.2 K. Per il loro materiale campione, hanno scelto di studiare la piombo-ftalocianina (PbPc) su una superficie di piombo superconduttore. Questo campione fornisce una caratteristica netta nota come risonanza Yu-Shiba-Rusinov (YSR) che si verifica quando uno spin localizzato, che i ricercatori hanno preparato nella loro molecola, interagisce con un superconduttore, in questo caso il substrato di piombo. Poiché anche la punta è superconduttrice, contribuisce a un picco di segnale aggiuntivo abbastanza acuto, il cosiddetto picco di coerenza.
Gli elettroni attraversano una regione "proibita".
Quando Berndt e colleghi hanno applicato una tensione adeguata al microscopio, gli elettroni dal picco nella punta hanno condotto un tunnel anelastico al picco YSR sul campione. Per fare ciò, gli elettroni hanno dovuto attraversare una cosiddetta regione "proibita" mentre scavavano un tunnel tra la punta e il substrato e sono arrivati con meno energia di quella con cui avevano iniziato. Questa differenza di energia deriva dall'eccitazione delle vibrazioni della molecola PbPc e può essere determinata dai cambiamenti nella conduttanza del sistema. Utilizzando questa tecnica, i ricercatori sono stati in grado di aumentare il segnale (relativo al tunneling tra due superfici normali non superconduttive) di un fattore correlato al prodotto delle due altezze dei picchi.
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Poiché gli esperimenti si svolgono a temperature criogeniche, le applicazioni iniziali della tecnica saranno nella scienza di base, afferma Berndt. "La tecnica sarà in grado di fornire dati dettagliati sulle molecole sulle superfici in un modo senza precedenti", spiega. "Ci aiuterà anche a comprendere meglio le interazioni tra le molecole, che sono importanti per processi come l'autoassemblaggio e proprietà come il magnetismo".
Il team sta ora cercando di estendere il suo metodo ad altre classi di molecole. "Cercheremo di comprendere le intensità spettrali delle varie molecole vibrazionali in queste molecole", afferma Berndt. “Attualmente, la modellazione può riprodurre abbastanza bene le energie modali, ma le intensità difficilmente corrispondono ai dati sperimentali. Pensiamo che il tempo che un elettrone trascorre sulla molecola durante il processo di tunneling possa avere un ruolo, ma finora questa è una speculazione. In ogni caso, spiegare le intensità sarà un compito allettante da rompere".
I ricercatori riportano il loro lavoro in Physical Review Letters.
