Чутливість сканувально-тунельного мікроскопа підвищується до 50 разів, коли звичайний наконечник мікроскопа замінюється на надпровідний. Техніка, розроблена дослідниками з Університету Крістіана-Альбрехта в Кілі, Німеччина, може забезпечити безпрецедентний рівень детальних даних про молекули на поверхні матеріалу. Такі дані можуть допомогти вченим перевірити та вдосконалити теоретичні методи для розуміння та навіть прогнозування властивостей матеріалу.
Хоча вібраційна спектроскопія зазвичай використовується для дослідження молекулярних властивостей і взаємодій, більшості методів не вистачає просторової роздільної здатності та чутливості для дослідження окремих молекул, пояснює керівник групи Річард Берндт. Хоча нееластична тунельна спектроскопія (IETS) із скануючим тунельним мікроскопом (STM) не страждає від цієї проблеми, малий розмір сигналу традиційної IETS поки що обмежує кількість коливальних мод, які можна спостерігати в молекулі, з 1 або 2. режими з 3N (де N є числом атомів у молекулі), що є типовим максимумом.
Велика кількість режимів
«Наша нова техніка збільшує чутливість STM до 50 разів, і в результаті ми бачимо багато режимів», — розповідає Берндт. Світ фізики. «Це водночас обходить обмеження роздільної здатності традиційних IETS, дозволяючи нам надавати детальні дані про режими коливань молекули та про те, як ці режими змінюються під час взаємодії з молекулярним середовищем».
Дослідники проводили свої експерименти в надвисокому вакуумі з STM, що працювали при 2.3 і 4.2 K. Для свого зразка матеріалу вони вибрали для дослідження фталоціанін свинцю (PbPc) на поверхні надпровідного свинцю. Цей зразок забезпечує різку особливість, відому як резонанс Ю-Шиба-Русінова (YSR), який виникає, коли локалізований спін, який дослідники підготували у своїй молекулі, взаємодіє з надпровідником – у цьому випадку свинцевим субстратом. Оскільки кінчик також є надпровідним, він створює додатковий досить різкий пік сигналу – так званий пік когерентності.
Електрони перетинають «заборонену» область
Коли Берндт і його колеги подали відповідну напругу на мікроскоп, електрони з піку на кінчику непружно тунелювали до піку YSR на зразку. Для цього електронам довелося перетнути так звану «заборонену» область, коли вони проходили між кінчиком і підкладкою, і вони прибули з меншою енергією, ніж спочатку. Ця різниця в енергії виникає внаслідок збудження коливань молекули PbPc і може бути визначена за змінами провідності системи. Використовуючи цю техніку, дослідники змогли посилити сигнал (щодо тунелювання між двома нормальними ненадпровідними поверхнями) на коефіцієнт, який пов’язаний з добутком двох пікових висот.
Будь-яких можна виявити за допомогою скануючої тунельної мікроскопії
Оскільки експерименти відбуваються при кріогенних температурах, початкове застосування техніки буде у фундаментальній науці, каже Берндт. «Цей метод зможе надати детальні дані про молекули на поверхні безпрецедентним способом», — пояснює він. «Це також допоможе нам краще зрозуміти взаємодію між молекулами, які важливі для таких процесів, як самозбірка, і таких властивостей, як магнетизм».
Зараз команда намагається поширити свій метод на інші класи молекул. «Ми намагатимемося зрозуміти спектральну інтенсивність різних коливальних молекул у цих молекулах», — каже Берндт. «На даний момент моделювання може досить добре відтворити модові енергії, але інтенсивності навряд чи відповідають експериментальним даним. Ми вважаємо, що час, який електрон проводить на молекулі під час процесу тунелювання, може відігравати певну роль, але поки що це припущення. У будь-якому випадку пояснення інтенсивності буде непростим горіхом».
Дослідники звітують про свою роботу в Physical Review Letters,.
