De gevoeligheid van een scanning-tunnelmicroscoop verbetert tot een factor 50 wanneer de gebruikelijke punt van de microscoop wordt vervangen door een supergeleidende. De techniek, ontwikkeld door onderzoekers van de Christian-Albrechts-University in Kiel, Duitsland, zou ongekende niveaus van gedetailleerde gegevens kunnen opleveren over moleculen op het oppervlak van een materiaal. Dergelijke gegevens kunnen wetenschappers helpen bij het testen en verbeteren van theoretische methoden om de eigenschappen van een materiaal te begrijpen en zelfs te voorspellen.
Hoewel vibratiespectroscopie routinematig wordt gebruikt om moleculaire eigenschappen en interacties te onderzoeken, missen de meeste technieken de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid om afzonderlijke moleculen te onderzoeken, legt teamleider uit Richard Berndt. Hoewel inelastische tunnelspectroscopie (IETS) met een scanning tunneling microscoop (STM) dit probleem niet heeft, heeft de kleine signaalgrootte van conventionele IETS tot dusver het aantal trillingsmodi dat kan worden waargenomen in een molecuul beperkt, met 1 of 2 modi van 3N (waar N is het aantal atomen in het molecuul) dat een typisch maximum is.
Tal van modi
"Onze nieuwe techniek verhoogt de gevoeligheid van de STM, tot nu toe met factoren tot 50, en als gevolg daarvan zien we tal van modi", vertelt Berndt Natuurkunde wereld. "Het omzeilt tegelijkertijd de resolutielimiet van conventionele IETS, waardoor we gedetailleerde gegevens kunnen verstrekken over de vibratiemodi van een molecuul en hoe deze modi veranderen wanneer ze interageren met hun moleculaire omgeving."
De onderzoekers voerden hun experimenten uit in ultrahoog vacuüm met STM's die werken op 2.3 en 4.2 K. Voor hun monstermateriaal kozen ze ervoor om lood-ftalocyanine (PbPc) te bestuderen op een oppervlak van supergeleidend lood. Dit monster biedt een scherp kenmerk dat bekend staat als een Yu-Shiba-Rusinov (YSR) -resonantie die ontstaat wanneer een gelokaliseerde spin, die de onderzoekers in hun molecuul hebben voorbereid, interageert met een supergeleider - in dit geval het loodsubstraat. Omdat de punt ook supergeleidend is, zorgt hij voor een extra vrij scherpe signaalpiek - de zogenaamde coherentiepiek.
Elektronen steken een "verboden" gebied over
Toen Berndt en collega's een geschikte spanning op de microscoop aanbrachten, tunnelden elektronen van de piek in de punt inelastisch naar de YSR-piek op het monster. Om dit te doen, moesten de elektronen een zogenaamd "verboden" gebied doorkruisen terwijl ze tussen de punt en het substraat tunnelden, en ze arriveerden met minder energie dan waarmee ze begonnen. Dit energieverschil komt van de excitatie van trillingen van het PbPc-molecuul en kan worden bepaald aan de hand van veranderingen in de geleiding van het systeem. Met behulp van deze techniek konden de onderzoekers het signaal (ten opzichte van tunneling tussen twee normale, niet-supergeleidende oppervlakken) versterken met een factor die gerelateerd is aan het product van de twee piekhoogten.
Iedereen kan worden gezien met behulp van scanning tunneling microscopie
Aangezien de experimenten plaatsvinden bij cryogene temperaturen, zullen de eerste toepassingen van de techniek in de basiswetenschap liggen, zegt Berndt. "De techniek zal op ongekende wijze gedetailleerde gegevens over moleculen aan oppervlakken kunnen leveren", legt hij uit. "Het zal ons ook helpen de interacties tussen moleculen beter te begrijpen, die belangrijk zijn voor processen zoals zelfassemblage en eigenschappen zoals magnetisme."
Het team probeert nu zijn methode uit te breiden naar andere klassen van moleculen. "We zullen proberen de spectrale intensiteiten van de verschillende vibratiemoleculen in deze moleculen te begrijpen", zegt Berndt. "Momenteel kan modellering de modus-energieën redelijk goed reproduceren, maar de intensiteiten komen nauwelijks overeen met de experimentele gegevens. We denken dat de tijd die een elektron aan het molecuul besteedt tijdens het tunnelproces een rol kan spelen, maar tot nu toe is dat speculatie. Hoe dan ook, het uitleggen van de intensiteiten zal een prikkelende noot zijn om te kraken.”
De onderzoekers rapporteren hun werk in Physical Review Letters.
