Registrerer magnetisme i atomopløsning med blot et scannende tunnelmikroskop

Forskere fra universitetet i Strasbourg, Frankrig, i tæt samarbejde med kolleger fra forskningscentre i San Sebastián, Spanien, og Jülich, Tyskland, har opnået et gennembrud med at detektere de magnetiske øjeblikke i nanoskala strukturer. Det lykkedes dem at synliggøre de magnetiske øjeblikke med en opløsning ned til atomniveau ved hjælp af et scannende tunnelmikroskop, en enhed, der har været standard inden for videnskab i mange år. Forskerne gjorde den følsom over for magnetiske egenskaber ved at placere et lille molekyle indeholdende et nikkelatom ved mikroskopets spids. Resultaterne offentliggjort i det aktuelle nummer af Videnskab åbner en ny vej til at opnå grundlæggende indsigt i atomskala strukturer og til design af fremtidige atomskala enheder som nanoskala lagerenheder og kvante simulatorer.

For at udforske verden af ​​individuelle atomer og molekyler, forskere bruger mikroskoper, der ikke er afhængige af en lysstråle eller elektroner, men snarere kan ses som den ultimative version af en analog pladespiller. Disse instrumenter, navngivne scanningssonde mikroskoper, bruge enden af ​​en skarp nål som en spids til at 'læse' de riller, der er skabt af atomer og molekyler på støtteoverfladen. For at fornemme nærheden mellem spids og overflade bruger forskerne en lillebitte elektrisk strøm, der begynder at flyde, når begge kun er adskilt af en brøkdel af et nanometer - det er en milliontedel af en millimeter. Regulering af spidsen for at opretholde denne afstand muliggør topografisk billeddannelse ved at scanne overfladen.

Mens den grundlæggende idé om sådanne mikroskoper er blevet udviklet siden 1980'erne, kun i løbet af det sidste årti har forskere i forskellige laboratorier lært at udvide disse mikroskopers kapacitet ved smart at designe enden på deres sonderingsspids. For eksempel, ved at vedhæfte et lille molekyle, som CO eller brint, der er opnået en hidtil uset stigning i rumlig opløsning, hvor molekylets fleksibilitet gjorde selv kemiske bindinger synlige.

Tilsvarende forfatterne til den seneste publikation i Videnskab specielt udformet deres instrumentering for at bringe en ny funktion til den skarpe spids:De gjorde den følsom over for magnetiske øjeblikke ved at placere et molekyle indeholdende et enkelt nikkelatom-en såkaldt kvantemolekylær magnet-ved toppen. Dette molekyle kan let bringes elektrisk ind i forskellige magnetiske tilstande på en sådan måde, at det fungerer som en lille magnet. Mens dens jordtilstand faktisk ikke har noget magnetisk moment, dens ophidsede tilstande har et magnetisk øjeblik, som fornemmer nærliggende øjeblikke med en hidtil uset rumlig opløsning og høj følsomhed.

Betydningen af ​​denne præstation er mangfoldig. For første gang, denne metode gør det muligt at se overfladestrukturer i kombination med deres magnetiske egenskaber i atomopløsning. Brugen af ​​et molekyle som en aktiv sensor gør det meget reproducerbart og let at implementere i instrumenter, der bruges af andre grupper verden over, der arbejder inden for feltet. "Mørke" magnetiske øjeblikke af komplekse magnetiske strukturer, som normalt er svære at måle, blive tilgængelig, hvilket er vigtigt for at forstå deres indre struktur. Og metoden giver en anden fordel. Fordi grundtilstanden for den molekylære sensor er ikke-magnetisk, målingen inducerer kun minimal tilbagevirkning på det undersøgte system, hvilket er vigtigt for flygtige stater på nanoskalaen.

Sammenfattende, med dette arbejde har forskere udvidet deres nanoskala værktøjskasse med et nyt værktøj, der er følsomt over for de magnetiske egenskaber, hvilket vil være vigtigt for fremtidige applikationer-lige fra nanoskala-hukommelsesenheder til nye materialer eller applikationer inden for kvantesimulering og computing.