A sensibilidade de um microscópio de tunelamento melhora em até um fator de 50 quando a ponta usual do microscópio é substituída por uma ponta supercondutora. A técnica, desenvolvida por pesquisadores da Christian-Albrechts-University em Kiel, na Alemanha, pode fornecer níveis sem precedentes de dados detalhados sobre moléculas na superfície de um material. Esses dados podem ajudar os cientistas a testar e melhorar os métodos teóricos para entender e até prever as propriedades de um material.
Embora a espectroscopia vibracional seja empregada rotineiramente para sondar propriedades e interações moleculares, a maioria das técnicas carece de resolução espacial e sensibilidade para sondar moléculas individuais, explica o líder da equipe Ricardo Berndt. Embora a espectroscopia de tunelamento inelástico (IETS) com um microscópio de tunelamento de varredura (STM) não sofra desse problema, o pequeno tamanho do sinal do IETS convencional limitou até agora o número de modos vibracionais que podem ser observados em uma molécula, com 1 ou 2 modos de 3N (Onde N é o número de átomos na molécula) sendo um máximo típico.
Muitos modos
“Nossa nova técnica aumenta a sensibilidade do STM, até agora em até 50 fatores e, como resultado, vemos muitos modos”, diz Berndt Mundo da física. “Ele contorna simultaneamente o limite de resolução do IETS convencional, permitindo-nos fornecer dados detalhados sobre os modos vibracionais de uma molécula e como esses modos mudam quando interagem com seu ambiente molecular”.
Os pesquisadores realizaram seus experimentos em ultra-alto vácuo com STMs operando em 2.3 e 4.2 K. Para o material de amostra, eles escolheram estudar chumbo-ftalocianina (PbPc) em uma superfície de chumbo supercondutor. Esta amostra fornece uma característica nítida conhecida como ressonância Yu-Shiba-Rusinov (YSR) que surge quando um spin localizado, que os pesquisadores prepararam em sua molécula, interage com um supercondutor – neste caso, o substrato de chumbo. Como a ponta também é supercondutora, ela contribui com um pico de sinal bastante nítido adicional – o chamado pico de coerência.
Elétrons atravessam uma região “proibida”
Quando Berndt e seus colegas aplicaram uma voltagem adequada ao microscópio, os elétrons do pico na ponta fizeram um túnel inelástico para o pico YSR na amostra. Para isso, os elétrons tiveram que atravessar uma região dita “proibida” ao fazerem um túnel entre a ponta e o substrato, e chegaram com menos energia do que começaram. Essa diferença de energia vem da excitação das vibrações da molécula de PbPc e pode ser determinada a partir de mudanças na condutância do sistema. Usando essa técnica, os pesquisadores conseguiram aumentar o sinal (em relação ao tunelamento entre duas superfícies normais não supercondutoras) por um fator relacionado ao produto das duas alturas de pico.
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Como os experimentos acontecem em temperaturas criogênicas, as aplicações iniciais da técnica serão na ciência básica, diz Berndt. “A técnica será capaz de fornecer dados detalhados sobre moléculas em superfícies de forma inédita”, explica. “Também nos ajudará a entender melhor as interações entre as moléculas, que são importantes para processos como a automontagem e propriedades como o magnetismo”.
A equipe agora está tentando estender seu método para outras classes de moléculas. “Estaremos tentando entender as intensidades espectrais das várias moléculas vibracionais nessas moléculas”, diz Berndt. “Atualmente, a modelagem pode reproduzir razoavelmente bem as energias dos modos, mas as intensidades dificilmente correspondem aos dados experimentais. Achamos que o tempo que um elétron gasta na molécula durante o processo de tunelamento pode desempenhar um papel – mas até agora isso é especulação. De qualquer forma, explicar as intensidades será uma noz tentadora de quebrar.”
Os pesquisadores relatam seu trabalho em Physical Review Letters.
