走査トンネル顕微鏡の感度は、顕微鏡の通常の先端を超伝導のものに置き換えると、最大 50 倍向上します。 ドイツのキールにある Christian-Albrechts-University の研究者によって開発されたこの技術は、材料の表面の分子に関する前例のないレベルの詳細なデータを提供する可能性があります。 このようなデータは、科学者が材料の特性を理解し、さらには予測するための理論的方法をテストおよび改善するのに役立つ可能性があります。
振動分光法は、分子の特性と相互作用を調べるために日常的に使用されていますが、ほとんどの技術には、単一分子を調べるための空間分解能と感度が欠けています、とチームリーダーは説明します リチャード・ベルント. 走査型トンネル顕微鏡 (STM) を使用した非弾性トンネル分光法 (IETS) ではこの問題は発生しませんが、従来の IETS では信号サイズが小さいため、これまで分子内で観察できる振動モードの数が 1 または 2 に制限されていました。 3つのモードのうちN （どこで N 分子内の原子の数) は、典型的な最大値です。
豊富なモード
「私たちの新しい技術は、STM の感度を今のところ最大 50 倍に高めており、その結果、多くのモードが見られます」と Berndt 氏は語ります。 物理学の世界. 「同時に、従来の IETS の分解能限界を回避することで、分子の振動モードと、分子環境と相互作用するときにこれらのモードがどのように変化するかに関する詳細なデータを提供できます。」
研究者は、2.3 K と 4.2 K で動作する STM を使用して、超高真空で実験を行いました。サンプル材料として、超伝導鉛の表面で鉛フタロシアニン (PbPc) を調べることにしました。 このサンプルは、Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 共鳴として知られる鋭い特徴を提供します。この共鳴は、研究者が分子内に準備した局在スピンが超伝導体 (この場合は鉛基板) と相互作用するときに発生します。 先端も超伝導であるため、追加のかなり鋭い信号ピーク (いわゆるコヒーレンス ピーク) に寄与します。
電子は「禁止」領域を通過します
ベルントと同僚が顕微鏡に適切な電圧を印加すると、先端のピークからの電子がサンプルの YSR ピークに非弾性的にトンネリングしました。 そのためには、電子がチップと基板の間をトンネリングするときに、いわゆる「禁止」領域を通過する必要があり、最初よりも少ないエネルギーで到達しました。 このエネルギー差は、PbPc 分子の振動の励起に由来し、システムのコンダクタンスの変化から決定できます。 この技術を使用して、研究者は、XNUMX つのピーク高さの積に関連する係数で信号を (XNUMX つの通常の非超伝導表面間のトンネリングに比べて) 増強することができました。
エニオンは、走査型トンネル顕微鏡を使用して見つけることができます
実験は極低温で行われるため、この技術の最初の応用は基礎科学になるだろうと Berndt は言う。 「この技術は、前例のない方法で表面の分子に関する詳細なデータを提供できるようになるでしょう」と彼は説明します。 「また、自己組織化などのプロセスや磁性などの特性にとって重要な分子間の相互作用をよりよく理解するのにも役立ちます。」
チームは現在、その方法を他のクラスの分子に拡張しようとしています。 「これらの分子のさまざまな振動分子のスペクトル強度を理解しようとしています」とBerndt氏は言います。 「現在、モデリングはモードエネルギーをかなりうまく再現できますが、強度は実験データとほとんど一致しません。 トンネリング プロセス中に電子が分子上で過ごす時間が役割を果たしている可能性があると考えていますが、これまでのところそれは憶測です。 いずれにせよ、強度を説明することは、クラックするのが非常に興味をそそるナッツになるでしょう。」
研究者は彼らの仕事を報告します Physical Review Lettersに.
