Känsligheten hos ett scanning-tunnelmikroskop förbättras med upp till en faktor 50 när mikroskopets vanliga spets ersätts av en supraledande. Tekniken, utvecklad av forskare vid Christian-Albrechts-Universitetet i Kiel, Tyskland, kan ge oöverträffade nivåer av detaljerade data om molekyler på ytan av ett material. Sådana data kan hjälpa forskare att testa och förbättra teoretiska metoder för att förstå och till och med förutsäga ett material egenskaper.
Även om vibrationsspektroskopi rutinmässigt används för att undersöka molekylära egenskaper och interaktioner, saknar de flesta tekniker den rumsliga upplösningen och känsligheten för att undersöka enskilda molekyler, förklarar gruppledaren Richard Berndt. Även om oelastisk tunnelspektroskopi (IETS) med ett scanning tunnelmikroskop (STM) inte lider av detta problem, har den lilla signalstorleken hos konventionella IETS hittills begränsat antalet vibrationslägen som kan observeras i en molekyl, med 1 eller 2 lägen av 3N (var N är antalet atomer i molekylen) är ett typiskt maximum.
Massor av lägen
"Vår nya teknik ökar känsligheten hos STM, hittills med faktorer upp till 50, och som ett resultat ser vi massor av lägen," säger Berndt Fysikvärlden. "Det kringgår samtidigt upplösningsgränsen för konventionella IETS, vilket gör att vi kan tillhandahålla detaljerad information om en molekyls vibrationslägen och hur dessa lägen förändras när de interagerar med sin molekylära miljö."
Forskarna genomförde sina experiment i ultrahögt vakuum med STM som arbetade vid 2.3 och 4.2 K. För sitt provmaterial valde de att studera bly-ftalocyanin (PbPc) på en yta av supraledande bly. Detta prov ger en skarp egenskap känd som en Yu-Shiba-Rusinov (YSR) resonans som uppstår när ett lokaliserat spinn, som forskarna förberedde i sin molekyl, interagerar med en supraledare – i det här fallet blysubstratet. Eftersom spetsen också är supraledande bidrar den med ytterligare en ganska skarp signaltopp – den så kallade koherenstoppen.
Elektroner korsar en "förbjuden" region
När Berndt och kollegor applicerade en lämplig spänning på mikroskopet, tunnlade elektroner från toppen i spetsen oelastiskt till YSR-toppen på provet. För att göra det var elektronerna tvungna att korsa en så kallad "förbjuden" region när de tunnlade mellan spetsen och substratet, och de anlände med mindre energi än de började med. Denna energiskillnad kommer från exciteringen av vibrationer från PbPc-molekylen och den kan bestämmas från förändringar i systemets konduktans. Med denna teknik kunde forskarna förbättra signalen (i förhållande till tunnling mellan två normala, icke-supraledande ytor) med en faktor som är relaterad till produkten av de två topphöjderna.
Vem som helst kunde upptäckas med hjälp av skanningstunnelmikroskopi
Eftersom experimenten sker vid kryogena temperaturer kommer teknikens initiala tillämpningar att vara inom grundvetenskap, säger Berndt. "Tekniken kommer att kunna tillhandahålla detaljerade data om molekyler vid ytor på ett aldrig tidigare skådat sätt", förklarar han. "Det kommer också att hjälpa oss att bättre förstå interaktionerna mellan molekyler, som är viktiga för processer som självmontering och egenskaper som magnetism."
Teamet försöker nu utöka sin metod till andra klasser av molekyler. "Vi kommer att försöka förstå de spektrala intensiteterna hos de olika vibrationsmolekylerna i dessa molekyler," säger Berndt. "För närvarande kan modellering återge modenergierna ganska bra, men intensiteterna matchar knappast experimentella data. Vi tror att tiden en elektron spenderar på molekylen under tunnlingsprocessen kan spela en roll – men än så länge är det spekulationer. Hur som helst, att förklara intensiteterna kommer att vara en lockande nöt att knäcka.”
Forskarna redovisar sitt arbete i Fysiska granskningsbrev.
