Strækning af enkeltmolekyler muliggør præcisionsstudier af interagerende elektroner

(PhysOrg.com) - Med kontrolleret strækning af molekyler, Cornell-forskere har demonstreret, at enkeltmolekylære enheder kan tjene som kraftfulde nye værktøjer til grundlæggende videnskabelige eksperimenter. Deres arbejde har resulteret i detaljerede test af eksisterende teorier om, hvordan elektroner interagerer på nanoskalaen.

Arbejdet, ledet af professor i fysik Dan Ralph, udgives i tidsskriftet 10. juni online Videnskab . Første forfatter er J.J. Parker, en tidligere kandidatstuderende i Ralphs laboratorium.

Forskerne studerede særlige koboltbaserede molekyler med såkaldt intrinsic spin-en kvantiseret mængde vinkelmoment.

Teorier, der først blev postuleret i 1980'erne, forudsagde, at molekylært spin ville ændre interaktionen mellem elektroner i molekylet og ledningselektroner, der omgiver det, og at denne interaktion ville bestemme, hvor let elektroner strømmer gennem molekylet. Før nu, disse teorier var ikke blevet testet i detaljer på grund af vanskelighederne ved at lave enheder med kontrollerede spins.

Forståelse af enkeltmolekyleelektronik kræver ekspertise inden for både kemi og fysik, og Cornells team har specialister i begge dele.

"Folk kender til high-spin-molekyler, men ingen har været i stand til at samle kemi og fysik for at få kontrolleret kontakt med disse high-spin-molekyler, "Sagde Ralph.

Forskerne gjorde deres observationer ved at strække individuelle spinholdige molekyler mellem to elektroder og analysere deres elektriske egenskaber. De så elektroner strømme gennem koboltkomplekset, afkølet til ekstremt lave temperaturer, mens du langsomt trækker i enderne for at strække det. På et bestemt tidspunkt, det blev vanskeligere at føre strøm gennem molekylet. Forskerne havde subtilt ændret molekylets magnetiske egenskaber ved at gøre det mindre symmetrisk.

Efter at have frigjort spændingen, molekylet vendte tilbage til sin oprindelige form og begyndte lettere at passere strøm - hvilket viste, at molekylet ikke var blevet skadet. Målinger som funktion af temperatur, magnetfelt og omfanget af strækning gav teamet ny indsigt i præcis, hvad der er påvirkning af molekylær spin på elektroninteraktioner og elektronstrøm.

Virkningerne af højt spin på nanoskalaenheders elektriske egenskaber var helt teoretiske spørgsmål før Cornell -arbejdet, Sagde Ralph. Ved at lave enheder, der indeholder individuelle high-spin-molekyler og bruge stretching til at styre spinet, Cornell -teamet beviste, at sådanne enheder kan tjene som et kraftfuldt laboratorium til at løse disse grundlæggende videnskabelige spørgsmål.