Občutljivost vrstično-tunelskega mikroskopa se izboljša do faktorja 50, ko običajno konico mikroskopa zamenjamo s superprevodno. Tehnika, ki so jo razvili raziskovalci na Univerzi Christian-Albrechts v Kielu v Nemčiji, bi lahko zagotovila ravni podrobnih podatkov o molekulah na površini materiala brez primere. Takšni podatki bi lahko pomagali znanstvenikom pri testiranju in izboljšanju teoretičnih metod za razumevanje in celo napovedovanje lastnosti materiala.
Čeprav se vibracijska spektroskopija rutinsko uporablja za sondiranje molekularnih lastnosti in interakcij, večina tehnik nima prostorske ločljivosti in občutljivosti za sondiranje posameznih molekul, pojasnjuje vodja skupine Richard Berndt. Medtem ko neelastična tunelska spektroskopija (IETS) z vrstičnim tunelskim mikroskopom (STM) nima te težave, je majhna velikost signala konvencionalne IETS doslej omejevala število načinov nihanja, ki jih je mogoče opaziti v molekuli, z 1 ali 2. načini od 3N (kje N je število atomov v molekuli), ki je tipičen maksimum.
Veliko načinov
"Naša nova tehnika poveča občutljivost STM, doslej za faktorje do 50, in posledično vidimo veliko načinov," pravi Berndt Svet fizike. "Hkrati zaobide mejo ločljivosti običajnih IETS, kar nam omogoča, da zagotovimo podrobne podatke o vibracijskih načinih molekule in o tem, kako se ti načini spremenijo, ko sodelujejo s svojim molekularnim okoljem."
Raziskovalci so izvajali svoje poskuse v ultravisokem vakuumu s STM, ki delujejo pri 2.3 in 4.2 K. Za njihov vzorčni material so se odločili preučevati svinčev ftalocianin (PbPc) na površini superprevodnega svinca. Ta vzorec zagotavlja ostro značilnost, znano kot resonanca Yu-Shiba-Rusinov (YSR), ki nastane, ko lokalizirano vrtenje, ki so ga raziskovalci pripravili v svoji molekuli, interagira s superprevodnikom – v tem primeru s svinčenim substratom. Ker je tudi konica superprevodna, prispeva dodaten dokaj oster vrh signala – tako imenovani koherenčni vrh.
Elektroni prečkajo "prepovedano" območje
Ko so Berndt in sodelavci na mikroskop uporabili primerno napetost, so se elektroni z vrha v konici neelastično usmerili v vrh YSR na vzorcu. Da bi to naredili, so morali elektroni prečkati tako imenovano "prepovedano" območje, ko so tunelirali med konico in podlago, in prispeli so z manj energije, kot so jo imeli na začetku. Ta razlika v energiji izvira iz vzbujanja vibracij molekule PbPc in jo je mogoče določiti iz sprememb v prevodnosti sistema. Z uporabo te tehnike so raziskovalci lahko povečali signal (glede na tuneliranje med dvema normalnima, nesuperprevodnima površinama) s faktorjem, ki je povezan z zmnožkom dveh višin vrhov.
Kogar koli je mogoče opaziti z uporabo vrstične tunelske mikroskopije
Ker poskusi potekajo pri kriogenih temperaturah, bodo začetne aplikacije tehnike v osnovni znanosti, pravi Berndt. "Tehnika bo lahko zagotovila podrobne podatke o molekulah na površinah na način brez primere," pojasnjuje. "Prav tako nam bo pomagalo bolje razumeti interakcije med molekulami, ki so pomembne za procese, kot je samosestavljanje, in lastnosti, kot je magnetizem."
Ekipa zdaj poskuša razširiti svojo metodo na druge razrede molekul. "Poskušali bomo razumeti spektralne intenzivnosti različnih vibracijskih molekul v teh molekulah, " pravi Berndt. "Trenutno lahko modeliranje dokaj dobro reproducira energije načina, vendar se intenzivnosti komaj ujemajo z eksperimentalnimi podatki. Menimo, da lahko čas, ki ga elektron preživi na molekuli med procesom tuneliranja, igra pomembno vlogo - vendar so to zaenkrat špekulacije. V vsakem primeru bo pojasnjevanje intenzivnosti mučen oreh.«
Raziskovalci poročajo o svojem delu v Pisni pregledi fizike.
