Følsomheten til et skannings-tunnelmikroskop forbedres med opptil en faktor 50 når mikroskopets vanlige spiss erstattes av en superledende. Teknikken, utviklet av forskere ved Christian-Albrechts-Universitetet i Kiel, Tyskland, kan gi enestående nivåer av detaljerte data om molekyler på overflaten av et materiale. Slike data kan hjelpe forskere med å teste og forbedre teoretiske metoder for å forstå og til og med forutsi et materiales egenskaper.
Selv om vibrasjonsspektroskopi rutinemessig brukes til å undersøke molekylære egenskaper og interaksjoner, mangler de fleste teknikker romlig oppløsning og følsomhet for å undersøke enkeltmolekyler, forklarer teamleder Richard Berndt. Mens uelastisk tunnelspektroskopi (IETS) med et skanningstunnelmikroskop (STM) ikke lider av dette problemet, har den lille signalstørrelsen til konvensjonell IETS så langt begrenset antallet vibrasjonsmoduser som kan observeres i et molekyl, med 1 eller 2 moduser av 3N (hvor N er antall atomer i molekylet) som er et typisk maksimum.
Mange moduser
"Vår nye teknikk øker følsomheten til STM, så langt med faktorer opp til 50, og som et resultat ser vi mange moduser," forteller Berndt Fysikkens verden. "Den omgår samtidig oppløsningsgrensen til konvensjonelle IETS, og lar oss gi detaljerte data om vibrasjonsmodusene til et molekyl og hvordan disse modusene endres når de samhandler med deres molekylære miljø."
Forskerne utførte sine eksperimenter i ultrahøyt vakuum med STM som opererer ved 2.3 og 4.2 K. For prøvematerialet deres valgte de å studere bly-ftalocyanin (PbPc) på en overflate av superledende bly. Denne prøven gir et skarpt trekk kjent som en Yu-Shiba-Rusinov (YSR) resonans som oppstår når et lokalisert spinn, som forskerne forberedte i molekylet deres, samhandler med en superleder – i dette tilfellet blysubstratet. Siden spissen også er superledende, bidrar den med en ekstra ganske skarp signaltopp – den såkalte koherenstoppen.
Elektroner krysser en "forbudt" region
Da Berndt og kollegene påførte en passende spenning på mikroskopet, tunnelerte elektroner fra toppen i spissen uelastisk til YSR-toppen på prøven. For å gjøre det, måtte elektronene krysse et såkalt «forbudt» område da de tunnelerte mellom spissen og underlaget, og de ankom med mindre energi enn de startet med. Denne energiforskjellen kommer fra eksitasjonen av vibrasjoner av PbPc-molekylet, og den kan bestemmes fra endringer i konduktansen til systemet. Ved å bruke denne teknikken var forskerne i stand til å forbedre signalet (i forhold til tunnelering mellom to normale, ikke-superledende overflater) med en faktor som er relatert til produktet av de to topphøydene.
Hvem som helst kunne bli oppdaget ved hjelp av skanningstunnelmikroskopi
Siden eksperimentene foregår ved kryogene temperaturer, vil teknikkens første anvendelser være i grunnleggende vitenskap, sier Berndt. "Teknikken vil være i stand til å gi detaljerte data om molekyler på overflater på en enestående måte," forklarer han. "Det vil også hjelpe oss å bedre forstå interaksjonene mellom molekyler, som er viktige for prosesser som selvmontering og egenskaper som magnetisme."
Teamet prøver nå å utvide metoden til andre klasser av molekyler. "Vi vil forsøke å forstå de spektrale intensitetene til de forskjellige vibrasjonsmolekylene i disse molekylene," sier Berndt. "For øyeblikket kan modellering reprodusere modusenergiene ganske bra, men intensitetene samsvarer knapt med eksperimentelle data. Vi tror at tiden et elektron bruker på molekylet under tunnelprosessen kan spille en rolle – men så langt er det spekulasjoner. Uansett vil det å forklare intensitetene være en fristende nøtt å knekke.»
Forskerne rapporterer arbeidet sitt i Physical Review Letters.
