주사 터널링 현미경의 감도는 현미경의 일반적인 팁이 초전도 팁으로 대체될 때 최대 50배까지 향상됩니다. 독일 Kiel에 있는 Christian-Albrechts-University의 연구원들이 개발한 이 기술은 재료 표면의 분자에 대한 전례 없는 수준의 상세한 데이터를 제공할 수 있습니다. 이러한 데이터는 과학자들이 재료의 특성을 이해하고 예측하기 위한 이론적 방법을 테스트하고 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
진동 분광법은 분자 특성과 상호 작용을 조사하기 위해 일상적으로 사용되지만 대부분의 기술은 단일 분자를 조사하기 위한 공간 분해능과 감도가 부족하다고 팀 리더는 설명합니다. 리차드 번트. 주사 터널링 현미경(STM)을 사용한 비탄성 터널링 분광법(IETS)은 이러한 문제를 겪지 않지만 기존 IETS의 작은 신호 크기는 지금까지 분자에서 관찰할 수 있는 진동 모드의 수를 1 또는 2로 제한했습니다. 3가지 모드 중N (어디에 N 분자의 원자 수)가 일반적인 최대값입니다.
다양한 모드
"우리의 새로운 기술은 STM의 감도를 지금까지 최대 50배까지 증가시켰고 그 결과 많은 모드를 볼 수 있었습니다."라고 Berndt는 말합니다. 물리 세계. "그것은 동시에 기존 IETS의 분해능 한계를 우회하여 분자의 진동 모드에 대한 자세한 데이터와 이러한 모드가 분자 환경과 상호 작용할 때 어떻게 변하는지를 제공할 수 있습니다."
연구원들은 2.3 및 4.2K에서 작동하는 STM을 사용하여 초고진공에서 실험을 수행했습니다. 샘플 재료로 초전도 납 표면에서 납-프탈로시아닌(PbPc)을 연구하기로 선택했습니다. 이 샘플은 YSR(Yu-Shiba-Rusinov) 공명으로 알려진 예리한 특징을 제공합니다. 이 공명은 연구원들이 분자에서 준비한 국소 스핀이 초전도체(이 경우에는 납 기판)와 상호 작용할 때 발생합니다. 팁도 초전도이기 때문에 상당히 날카로운 추가 신호 피크(소위 일관성 피크)에 기여합니다.
전자는 "금지된" 영역을 통과합니다.
Berndt와 동료들이 현미경에 적절한 전압을 가했을 때 팁의 피크에서 전자가 샘플의 YSR 피크로 비탄력적으로 터널링되었습니다. 그렇게 하기 위해 전자는 팁과 기판 사이를 터널링하면서 소위 "금지된" 영역을 통과해야 했으며 처음보다 적은 에너지로 도달했습니다. 이 에너지 차이는 PbPc 분자의 진동 여기에서 비롯되며 시스템 컨덕턴스의 변화에서 확인할 수 있습니다. 이 기술을 사용하여 연구자들은 두 개의 피크 높이의 곱과 관련된 요인으로 신호를 향상시킬 수 있었습니다(초전도가 아닌 정상적인 두 표면 사이의 터널링과 관련하여).
주사 터널링 현미경을 사용하여 누구라도 발견할 수 있습니다.
극저온에서 실험이 이루어지기 때문에 이 기술의 초기 응용 분야는 기초 과학이 될 것이라고 Berndt는 말합니다. "이 기술은 전례 없는 방식으로 표면의 분자에 대한 자세한 데이터를 제공할 수 있을 것입니다."라고 그는 설명합니다. "또한 자기 조립 및 자성과 같은 특성과 같은 프로세스에 중요한 분자 간의 상호 작용을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다."
연구팀은 현재 그 방법을 다른 종류의 분자로 확장하려고 노력하고 있습니다. Berndt는 "우리는 이러한 분자에 있는 다양한 진동 분자의 스펙트럼 강도를 이해하려고 시도할 것입니다."라고 말했습니다. “현재 모델링은 모드 에너지를 상당히 잘 재현할 수 있지만 강도는 실험 데이터와 거의 일치하지 않습니다. 우리는 터널링 과정 동안 전자가 분자에 보내는 시간이 역할을 할 수 있다고 생각하지만 지금까지는 추측입니다. 어쨌든 강도를 설명하는 것은 깨지기 쉬운 너트가 될 것입니다.”
연구원들은 그들의 작업을 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).
