Czułość skaningowego mikroskopu tunelowego wzrasta nawet 50-krotnie, gdy zwykłą końcówkę mikroskopu zastępuje się nadprzewodzącą. Technika, opracowana przez naukowców z Christian-Albrechts-University w Kilonii w Niemczech, może dostarczyć bezprecedensowych poziomów szczegółowych danych o molekułach na powierzchni materiału. Takie dane mogą pomóc naukowcom w testowaniu i ulepszaniu metod teoretycznych służących do zrozumienia, a nawet przewidywania właściwości materiału.
Chociaż spektroskopia oscylacyjna jest rutynowo wykorzystywana do badania właściwości i interakcji molekularnych, większości technik brakuje rozdzielczości przestrzennej i czułości do badania pojedynczych cząsteczek, wyjaśnia kierownik zespołu Ryszard Berndt. Podczas gdy nieelastyczna spektroskopia tunelowa (IETS) ze skaningowym mikroskopem tunelowym (STM) nie ma tego problemu, mały rozmiar sygnału konwencjonalnego IETS ograniczał do tej pory liczbę trybów wibracyjnych, które można zaobserwować w cząsteczce, przy 1 lub 2 tryby z 3N (gdzie N to liczba atomów w cząsteczce) będąca typowym maksimum.
Mnóstwo trybów
„Nasza nowa technika zwiększa czułość STM, jak dotąd o współczynniki do 50, w wyniku czego widzimy wiele trybów”, mówi Berndt Świat Fizyki. „Jednocześnie omija limit rozdzielczości konwencjonalnych IETS, umożliwiając nam dostarczenie szczegółowych danych na temat trybów oscylacyjnych cząsteczki i tego, jak te tryby zmieniają się, gdy wchodzą w interakcję z ich środowiskiem molekularnym”.
Naukowcy przeprowadzili eksperymenty w ultrawysokiej próżni z STM pracującymi w temperaturze 2.3 i 4.2 K. Jako materiał próbki zdecydowali się zbadać ftalocyjaninę ołowiu (PbPc) na powierzchni nadprzewodzącego ołowiu. Ta próbka zapewnia ostrą cechę znaną jako rezonans Yu-Shiba-Rusinova (YSR), która powstaje, gdy zlokalizowany spin, który naukowcy przygotowali w swojej cząsteczce, wchodzi w interakcję z nadprzewodnikiem – w tym przypadku z ołowianym podłożem. Ponieważ końcówka jest również nadprzewodnikiem, przyczynia się do powstania dodatkowego dość ostrego piku sygnału – tak zwanego piku koherencji.
Elektrony przecinają „zakazany” region
Kiedy Berndt i współpracownicy przyłożyli do mikroskopu odpowiednie napięcie, elektrony z piku w końcówce nieelastycznie tunelowały do piku YSR na próbce. Aby to zrobić, elektrony musiały przejść przez tak zwany „zakazany” obszar, gdy przelatywały między końcówką a podłożem, i dotarły z mniejszą energią niż na początku. Ta różnica energii pochodzi od wzbudzenia drgań cząsteczki PbPc i można ją określić na podstawie zmian przewodnictwa układu. Korzystając z tej techniki, naukowcom udało się wzmocnić sygnał (w stosunku do tunelowania między dwiema normalnymi, nieprzewodzącymi powierzchniami) o czynnik związany z iloczynem dwóch wysokości pików.
Anyony można było wykryć za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej
Ponieważ eksperymenty odbywają się w temperaturach kriogenicznych, początkowe zastosowania techniki będą dotyczyły nauk podstawowych, mówi Berndt. „Technika będzie w stanie dostarczyć szczegółowych danych o molekułach na powierzchni w bezprecedensowy sposób” – wyjaśnia. „Pomoże nam to również lepiej zrozumieć interakcje między cząsteczkami, które są ważne dla procesów takich jak samoorganizacja i właściwości, takie jak magnetyzm”.
Zespół próbuje teraz rozszerzyć swoją metodę na inne klasy cząsteczek. „Będziemy próbować zrozumieć intensywności widmowe różnych cząsteczek oscylacyjnych w tych cząsteczkach” – mówi Berndt. „Obecnie modelowanie może dość dobrze odtwarzać energie modów, ale intensywności ledwo odpowiadają danym eksperymentalnym. Uważamy, że czas, jaki elektron spędza na cząsteczce podczas procesu tunelowania, może odgrywać pewną rolę – ale jak dotąd jest to spekulacja. W każdym razie wyjaśnienie intensywności będzie kuszącym orzechem do zgryzienia”.
Naukowcy relacjonują swoją pracę w: Physical Review Letters.
