Чувствительность сканирующего туннельного микроскопа повышается до 50 раз при замене обычного наконечника микроскопа на сверхпроводящий. Метод, разработанный исследователями из Университета Кристиана-Альбрехта в Киле, Германия, может предоставить беспрецедентный уровень подробных данных о молекулах на поверхности материала. Такие данные могут помочь ученым проверить и улучшить теоретические методы для понимания и даже предсказания свойств материала.
Хотя колебательная спектроскопия обычно используется для исследования молекулярных свойств и взаимодействий, большинству методов не хватает пространственного разрешения и чувствительности для исследования отдельных молекул, объясняет руководитель группы. Ричард Берндт. В то время как спектроскопия неупругого туннелирования (IETS) с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) не страдает от этой проблемы, малый размер сигнала обычного IETS до сих пор ограничивал количество колебательных мод, которые можно наблюдать в молекуле, с 1 или 2 режимы из 3N (где N — число атомов в молекуле), являющееся типичным максимумом.
Множество режимов
«Наша новая методика увеличивает чувствительность STM до 50 раз, и в результате мы видим множество режимов», — говорит Берндт. Мир физики. «Он одновременно обходит предел разрешения обычного IETS, позволяя нам предоставлять подробные данные о колебательных модах молекулы и о том, как эти моды изменяются при взаимодействии с их молекулярным окружением».
Исследователи проводили свои эксперименты в сверхвысоком вакууме с СТМ, работающими при 2.3 и 4.2 К. В качестве образца материала они выбрали изучение фталоцианина свинца (PbPc) на поверхности сверхпроводящего свинца. Этот образец имеет острую особенность, известную как резонанс Ю-Шиба-Русинова (YSR), который возникает, когда локализованный спин, который исследователи подготовили в своей молекуле, взаимодействует со сверхпроводником — в данном случае со свинцовой подложкой. Поскольку игла тоже сверхпроводящая, она вносит дополнительный довольно резкий пик сигнала — так называемый пик когерентности.
Электроны пересекают «запретную» область
Когда Берндт и его коллеги приложили к микроскопу подходящее напряжение, электроны от пика в игле неупруго туннелировали к пику YSR на образце. Для этого электроны должны были пересечь так называемую «запретную» область, когда они туннелировали между иглой и подложкой, и они прибыли с меньшей энергией, чем в начале. Эта разность энергий обусловлена возбуждением колебаний молекулы PbPc и может быть определена по изменениям проводимости системы. Используя эту технику, исследователи смогли усилить сигнал (по сравнению с туннелированием между двумя нормальными несверхпроводящими поверхностями) на коэффициент, который связан с произведением двух пиковых высот.
Любой человек может быть обнаружен с помощью сканирующей туннельной микроскопии
По словам Берндта, поскольку эксперименты проводятся при криогенных температурах, первые применения этой техники будут в фундаментальной науке. «Этот метод сможет предоставить подробные данные о молекулах на поверхности беспрецедентным образом», — объясняет он. «Это также поможет нам лучше понять взаимодействия между молекулами, которые важны для таких процессов, как самосборка, и таких свойств, как магнетизм».
Сейчас команда пытается распространить свой метод на другие классы молекул. «Мы попытаемся понять спектральные интенсивности различных колебательных молекул в этих молекулах», — говорит Берндт. «В настоящее время моделирование может достаточно хорошо воспроизвести энергии мод, но интенсивности вряд ли соответствуют экспериментальным данным. Мы думаем, что время, которое электрон тратит на молекулу в процессе туннелирования, может играть роль, но пока это предположения. В любом случае объяснение интенсивности будет дразнящим орешком, который нужно расколоть».
Исследователи сообщают о своей работе в Physical Review Letters,.
