ความไวของกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดอุโมงค์จะดีขึ้นถึง 50 เท่า เมื่อปลายปกติของกล้องจุลทรรศน์ถูกแทนที่ด้วยตัวนำยิ่งยวด เทคนิคนี้พัฒนาโดยนักวิจัยจาก Christian-Albrechts-University ในเมืองคีล ประเทศเยอรมนี สามารถให้ข้อมูลรายละเอียดในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุ ข้อมูลดังกล่าวสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการทดสอบและปรับปรุงวิธีการทางทฤษฎีเพื่อความเข้าใจและแม้กระทั่งการทำนายคุณสมบัติของวัสดุ
หัวหน้าทีมอธิบาย แม้ว่าเครื่องสเปกโทรสโกปีแบบสั่นจะถูกใช้เป็นประจำเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล แต่เทคนิคส่วนใหญ่ขาดความละเอียดเชิงพื้นที่และความไวในการตรวจวัดโมเลกุลเดี่ยว ริชาร์ด เบิร์นดท์. ในขณะที่ไม่ยืดหยุ่นในทันเนลสเปกโทรสโกปี (IETS) ด้วยกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน (STM) ไม่ประสบปัญหานี้ ขนาดสัญญาณขนาดเล็กของ IETS แบบเดิมได้จำกัดจำนวนของโหมดการสั่นที่สามารถสังเกตได้ในโมเลกุลด้วย 1 หรือ 2 โหมดจาก 3N (ในกรณีที่ N คือจำนวนอะตอมในโมเลกุล) ซึ่งเป็นจำนวนสูงสุดโดยทั่วไป
มากมายของโหมด
“เทคนิคใหม่ของเราเพิ่มความไวของ STM จนถึงตอนนี้ถึง 50 ปัจจัย และด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นโหมดต่างๆ มากมาย” Berndt กล่าว โลกฟิสิกส์. "ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงขีดจำกัดความละเอียดของ IETS ทั่วไป ทำให้เราสามารถให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับโหมดการสั่นของโมเลกุลและวิธีที่โหมดเหล่านี้เปลี่ยนแปลงเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมของโมเลกุล"
นักวิจัยทำการทดลองในสุญญากาศสูงพิเศษด้วย STM ที่ทำงานที่อุณหภูมิ 2.3 และ 4.2 เค สำหรับวัสดุตัวอย่าง พวกเขาเลือกที่จะศึกษาตะกั่ว-พทาโลไซยานีน (PbPc) บนพื้นผิวของตะกั่วยิ่งยวด ตัวอย่างนี้ให้คุณสมบัติที่คมชัดที่เรียกว่าเรโซแนนซ์ Yu-Shiba-Rusinov (YSR) ที่เกิดขึ้นเมื่อสปินเฉพาะที่ซึ่งนักวิจัยเตรียมไว้ในโมเลกุลทำปฏิกิริยากับตัวนำยิ่งยวด ในกรณีนี้คือสารตั้งต้นตะกั่ว เนื่องจากส่วนปลายยังเป็นตัวนำยิ่งยวดด้วย จึงช่วยเพิ่มจุดสูงสุดของสัญญาณที่ค่อนข้างคมชัด ซึ่งเรียกว่าจุดสูงสุดของการเชื่อมโยงกัน
อิเล็กตรอนข้ามเขต "ต้องห้าม"
เมื่อ Berndt และเพื่อนร่วมงานใช้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมกับกล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนจากจุดสูงสุดในปลายอุโมงค์จะทะลุไปยังจุดสูงสุดของ YSR ในตัวอย่าง ในการทำเช่นนั้น อิเล็กตรอนต้องข้ามบริเวณที่เรียกว่า "ต้องห้าม" ขณะที่พวกมันเจาะทะลุระหว่างส่วนปลายกับพื้นผิว และพวกมันมาถึงด้วยพลังงานน้อยกว่าที่เริ่มต้น ความแตกต่างของพลังงานนี้มาจากการกระตุ้นการสั่นสะเทือนของโมเลกุล PbPc และสามารถกำหนดได้จากการเปลี่ยนแปลงของสื่อนำไฟฟ้าของระบบ เมื่อใช้เทคนิคนี้ นักวิจัยสามารถเพิ่มสัญญาณ (เมื่อเทียบกับการขุดอุโมงค์ระหว่างพื้นผิวปกติที่ไม่มีตัวนำยิ่งยวดสองพื้นผิว) โดยปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับผลคูณของความสูงสูงสุดทั้งสอง
ทุกคนสามารถมองเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน
Berndt กล่าวว่า เนื่องจากการทดลองเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเย็นจัด การใช้งานเบื้องต้นของเทคนิคนี้จะอยู่ในวิทยาศาสตร์พื้นฐาน Berndt กล่าว "เทคนิคนี้จะสามารถให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับโมเลกุลที่พื้นผิวในแบบที่ไม่เคยมีมาก่อน" เขาอธิบาย “มันยังช่วยให้เราเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลได้ดีขึ้น ซึ่งมีความสำคัญต่อกระบวนการต่างๆ เช่น การประกอบตัวเอง และคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเป็นแม่เหล็ก”
ทีมงานกำลังพยายามขยายวิธีการนี้ไปยังโมเลกุลประเภทอื่นๆ Berndt กล่าวว่า "เราจะพยายามทำความเข้าใจความเข้มสเปกตรัมของโมเลกุลการสั่นสะเทือนต่างๆ ในโมเลกุลเหล่านี้ “ปัจจุบัน การสร้างแบบจำลองสามารถสร้างโหมดพลังงานได้ค่อนข้างดี แต่ความเข้มแทบจะไม่ตรงกับข้อมูลการทดลอง เราคิดว่าเวลาที่อิเล็กตรอนใช้กับโมเลกุลในระหว่างกระบวนการขุดอุโมงค์อาจมีบทบาท แต่จนถึงขณะนี้ยังเป็นการคาดเดา ไม่ว่าในกรณีใด การอธิบายถึงความเข้มข้นจะเป็นสิ่งที่ยั่วเย้าให้แตกร้าว”
ผู้วิจัยรายงานผลงานใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.
