当显微镜的常用尖端被超导尖端取代时，扫描隧道显微镜的灵敏度提高了 50 倍。 该技术由位于德国基尔的 Christian-Albrechts-University 的研究人员开发，可以提供关于材料表面分子的前所未有的详细数据。 这些数据可以帮助科学家测试和改进理解甚至预测材料特性的理论方法。
虽然振动光谱通常用于探测分子特性和相互作用，但大多数技术缺乏探测单个分子的空间分辨率和灵敏度，团队负责人解释说 理查德·伯恩特. 虽然使用扫描隧道显微镜 (STM) 的非弹性隧道光谱 (IETS) 不会遇到这个问题，但传统 IETS 的小信号大小迄今为止限制了分子中可以观察到的振动模式的数量，只有 1 或 2 个模式出 3N （哪里 N 是分子中的原子数）是一个典型的最大值。
多种模式
“我们的新技术提高了 STM 的灵敏度，到目前为止提高了 50 倍，因此我们看到了很多模式，”Berndt 说 物理世界. “它同时规避了传统 IETS 的分辨率限制，使我们能够提供有关分子振动模式的详细数据，以及这些模式在与分子环境相互作用时如何变化。”
研究人员使用在 2.3 和 4.2 K 下运行的 STM 在超高真空中进行了实验。对于样品材料，他们选择研究超导铅表面上的铅酞菁 (PbPc)。 这个样本提供了一个被称为 Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 共振的尖锐特征，当研究人员在他们的分子中准备的局部自旋与超导体相互作用时会产生这种共振 - 在这种情况下，铅基板。 由于尖端也是超导的，它会产生一个额外的相当尖锐的信号峰——所谓的相干峰。
电子穿过“禁区”
当 Berndt 及其同事向显微镜施加合适的电压时，电子从尖端的峰值非弹性地隧穿到样品上的 YSR 峰值。 为此，电子在尖端和基板之间穿隧时必须穿过所谓的“禁区”，并且它们到达时的能量比开始时要少。 这种能量差异来自 PbPc 分子振动的激发，并且可以通过系统电导的变化来确定。 使用这种技术，研究人员能够通过与两个峰高的乘积相关的因子来增强信号（相对于两个正常的非超导表面之间的隧道效应）。
使用扫描隧道显微镜可以发现任意子
Berndt 说，由于实验是在低温下进行的，因此该技术的初步应用将是基础科学。 “该技术将能够以前所未有的方式提供表面分子的详细数据，”他解释道。 “它还将帮助我们更好地理解分子之间的相互作用，这对于自组装等过程和磁性等特性非常重要。”
该团队现在正试图将其方法扩展到其他类别的分子。 “我们将尝试了解这些分子中各种振动分子的光谱强度，”Berndt 说。 “目前，建模可以很好地再现模式能量，但强度很难与实验数据相匹配。 我们认为电子在隧道过程中花费在分子上的时间可能起到了一定的作用——但到目前为止这还只是猜测。 无论如何，解释强度将是一个诱人的难题。”
研究人员报告了他们的工作 “物理评论快报”.
