Độ nhạy của kính hiển vi quét đường hầm cải thiện tới hệ số 50 khi đầu thông thường của kính hiển vi được thay thế bằng đầu siêu dẫn. Kỹ thuật được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Christian-Albrechts ở Kiel, Đức, có thể cung cấp dữ liệu chi tiết chưa từng có về các phân tử trên bề mặt vật liệu. Dữ liệu như vậy có thể giúp các nhà khoa học kiểm tra và cải thiện các phương pháp lý thuyết để hiểu và thậm chí dự đoán các đặc tính của vật liệu.
Trưởng nhóm giải thích: Mặc dù quang phổ dao động thường được sử dụng để thăm dò các tính chất và tương tác của phân tử, nhưng hầu hết các kỹ thuật đều thiếu độ phân giải không gian và độ nhạy để thăm dò các phân tử đơn lẻ. Richard Berndt. Mặc dù quang phổ đường hầm không đàn hồi (IETS) với kính hiển vi quét đường hầm (STM) không gặp phải vấn đề này, kích thước tín hiệu nhỏ của IETS thông thường cho đến nay đã hạn chế số lượng chế độ dao động có thể quan sát được trong một phân tử, với 1 hoặc 2 chế độ trong số 3N (Ở đâu N là số nguyên tử trong phân tử) là cực đại điển hình.
Nhiều chế độ
“Kỹ thuật mới của chúng tôi làm tăng độ nhạy của STM, cho đến nay lên đến 50 lần, và kết quả là chúng tôi thấy có rất nhiều chế độ,” Berndt nói Thế giới vật lý. “Nó đồng thời phá vỡ giới hạn độ phân giải của IETS thông thường, cho phép chúng tôi cung cấp dữ liệu chi tiết về các chế độ rung của phân tử và cách các chế độ này thay đổi khi chúng tương tác với môi trường phân tử của chúng.”
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm của họ trong môi trường chân không cực cao với STM hoạt động ở 2.3 và 4.2 K. Đối với vật liệu mẫu của họ, họ đã chọn nghiên cứu chì-phthalocyanine (PbPc) trên bề mặt chì siêu dẫn. Mẫu này cung cấp một đặc điểm sắc nét được gọi là cộng hưởng Yu-Shiba-Rusinov (YSR) phát sinh khi một spin cục bộ, mà các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị trong phân tử của họ, tương tác với một chất siêu dẫn – trong trường hợp này là chất nền chì. Vì đầu tip cũng là chất siêu dẫn, nên nó đóng góp thêm một đỉnh tín hiệu khá sắc nét – cái gọi là đỉnh kết hợp.
Electron đi qua vùng “cấm”
Khi Berndt và các đồng nghiệp đặt một điện áp thích hợp vào kính hiển vi, các electron từ đỉnh trong đầu chui hầm không đàn hồi đến đỉnh YSR trên mẫu. Để làm như vậy, các electron phải đi qua cái gọi là vùng “cấm” khi chúng chui hầm giữa đầu mút và chất nền, và chúng đến với ít năng lượng hơn so với ban đầu. Sự khác biệt về năng lượng này xuất phát từ sự kích thích dao động của phân tử PbPc và nó có thể được xác định từ những thay đổi về độ dẫn của hệ thống. Sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu có thể tăng cường tín hiệu (so với đường hầm giữa hai bề mặt bình thường, không siêu dẫn) bằng một hệ số liên quan đến tích của hai độ cao cực đại.
Anyons có thể được phát hiện bằng cách sử dụng kính hiển vi quét đường hầm
Vì các thí nghiệm diễn ra ở nhiệt độ đông lạnh nên các ứng dụng ban đầu của kỹ thuật này sẽ là trong khoa học cơ bản, Berndt nói. Ông giải thích: “Kỹ thuật này sẽ có thể cung cấp dữ liệu chi tiết về các phân tử trên bề mặt theo một cách chưa từng có. “Nó cũng sẽ giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các phân tử, điều quan trọng đối với các quá trình như tự lắp ráp và các đặc tính như từ tính.”
Nhóm nghiên cứu hiện đang cố gắng mở rộng phương pháp của mình sang các lớp phân tử khác. Berndt nói: “Chúng tôi sẽ cố gắng hiểu cường độ quang phổ của các phân tử dao động khác nhau trong các phân tử này. “Hiện tại, mô hình hóa có thể tái tạo năng lượng của chế độ khá tốt, nhưng cường độ hầu như không khớp với dữ liệu thử nghiệm. Chúng tôi nghĩ rằng thời gian một electron dành cho phân tử trong quá trình tạo đường hầm có thể đóng một vai trò nào đó – nhưng cho đến nay đó chỉ là suy đoán. Trong bất kỳ trường hợp nào, việc giải thích cường độ sẽ là một điều khó hiểu.”
Các nhà nghiên cứu báo cáo công việc của họ trong Physical Review Letters.
