הרגישות של מיקרוסקופ סורק-מנהור משתפרת עד לפקטור של 50 כאשר קצהו הרגיל של המיקרוסקופ מוחלף במוליך-על. הטכניקה, שפותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת כריסטיאן-אלברכטס בקייל, גרמניה, יכולה לספק רמות חסרות תקדים של נתונים מפורטים על מולקולות על פני חומר. נתונים כאלה יכולים לעזור למדענים לבדוק ולשפר שיטות תיאורטיות להבנה ואף לחזות את תכונות החומר.
למרות שספקטרוסקופיה רטט משמשת באופן שגרתי לבדיקת תכונות ואינטראקציות מולקולריות, לרוב הטכניקות חסרות הרזולוציה המרחבית והרגישות לבדיקת מולקולות בודדות, מסביר ראש הצוות ריצ'רד ברנדט. בעוד ספקטרוסקופיית מנהור לא אלסטית (IETS) עם מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) אינה סובלת מבעיה זו, גודל האות הקטן של IETS קונבנציונלי הגביל עד כה את מספר מצבי הרטט שניתן לראות במולקולה, עם 1 או 2 מצבים מתוך 3N (איפה N הוא מספר האטומים במולקולה) בהיותו מקסימום טיפוסי.
שפע של מצבים
"הטכניקה החדשה שלנו מגבירה את הרגישות של ה-STM, עד כה בגורמים של עד 50, וכתוצאה מכך אנו רואים הרבה מצבים", אומר ברנדט עולם הפיזיקה. "זה בו זמנית עוקף את מגבלת הרזולוציה של IETS קונבנציונלי, ומאפשר לנו לספק נתונים מפורטים על מצבי הרטט של מולקולה וכיצד מצבים אלה משתנים כשהם מקיימים אינטראקציה עם הסביבה המולקולרית שלהם."
החוקרים ביצעו את הניסויים שלהם בוואקום גבוה במיוחד עם STMs הפועלים ב-2.3 ו-4.2 K. עבור חומר הדגימה שלהם, הם בחרו לחקור עופרת-פתאלוציאנין (PbPc) על משטח של עופרת מוליך-על. דגימה זו מספקת תכונה חדה המכונה תהודה Yu-Shiba-Rusinov (YSR) המתעוררת כאשר ספין מקומי, שהחוקרים הכינו במולקולה שלהם, יוצר אינטראקציה עם מוליך-על - במקרה זה, מצע העופרת. מכיוון שהקצה הוא גם מוליך-על, הוא תורם שיא אות חד למדי - מה שנקרא שיא הקוהרנטיות.
אלקטרונים חוצים אזור "אסור".
כאשר ברנדט ועמיתיו הפעילו מתח מתאים על המיקרוסקופ, אלקטרונים מהשיא בקצה עברו בצורה לא גמישה לשיא ה-YSR בדגימה. לשם כך, האלקטרונים נאלצו לחצות אזור שנקרא "אסור" כשהם עוברים במנהרה בין הקצה למצע, והם הגיעו עם פחות אנרגיה ממה שהתחילו איתה. הבדל אנרגיה זה נובע מעירור תנודות של מולקולת PbPc וניתן לקבוע אותו משינויים בהולכה של המערכת. באמצעות טכניקה זו, החוקרים הצליחו לשפר את האות (ביחס למנהור בין שני משטחים רגילים שאינם מוליכים-על) על ידי גורם הקשור למכפלת שני גבהי השיא.
ניתן היה לזהות כל אדם באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה
מכיוון שהניסויים מתרחשים בטמפרטורות קריוגניות, היישומים הראשוניים של הטכניקה יהיו במדע בסיסי, אומר ברנדט. "הטכניקה תוכל לספק נתונים מפורטים על מולקולות במשטחים בצורה חסרת תקדים", הוא מסביר. "זה גם יעזור לנו להבין טוב יותר את האינטראקציות בין מולקולות, שחשובות לתהליכים כמו הרכבה עצמית ותכונות כמו מגנטיות."
הצוות מנסה כעת להרחיב את השיטה שלו למחלקות אחרות של מולקולות. "אנחנו ננסה להבין את העוצמות הספקטרליות של מולקולות הרטט השונות במולקולות האלה", אומר ברנדט. "נכון לעכשיו, מודלים יכולים לשחזר את אנרגיות המצב בצורה טובה למדי, אבל העוצמות בקושי תואמות את הנתונים הניסיוניים. אנו חושבים שהזמן שאלקטרון מבלה על המולקולה במהלך תהליך המנהור עשוי לשחק תפקיד - אבל עד כה זו ספקולציה. בכל מקרה, הסבר על העוצמות יהיה אגוז מפתה לפיצוח."
החוקרים מדווחים על עבודתם ב מכתבי סקירה פיזית.
