Spectroscopie de tunelare pentru identificarea excitațiilor cuantice în molecule individuale
Cercetătorii au reușit să distingă diferite tipuri de excitații cuantice care coexistă în spectrele de conductanță ale moleculelor individuale de cobaltocen, folosind microscopia de tunelare cu scanare. Metoda combină injectarea și extragerea de electroni cu măsurători în câmp magnetic puternic, permițând separarea semnalelor care provin de la vibrații moleculare, inversări de spin electronic și salturi ale electronilor între orbitali diferiți.
Studiul, publicat în revista Physical Review Letters și evidențiat de editori ca „Editors’ Suggestion”, a fost realizat de Dr. Arnab Banerjee împreună cu patru colegi din Kiel și San Sebastian. Echipa a investigat molecula de cobaltocen plasată pe o suprafață de plumb care devine superconductor la temperaturi foarte scăzute, conducând electricitatea fără rezistență.
În experiment, vârful metalic al microscopului de tunelare cu scanare a fost apropiat de moleculă până când electronii au putut traversa spațiul minuscul dintre vârf și moleculă. Prin modificarea energiei electronilor și înregistrarea curentului rezultat, cercetătorii au obținut un spectru în care o creștere bruscă a curentului semnalează declanșarea unui proces molecular la acea energie.
O singură creștere nu dezvăluie însă ce proces se află în spatele ei, iar situația devine deosebit de confuză când în același spectru apar numeroase excitații diferite. Pentru a distinge semnalele, echipa a mutat electroni în și din moleculă și a investigat separat efectul unui câmp magnetic puternic. Cele două abordări combinate relevă tipul de excitație: vibrație moleculară, inversare de spin electronic sau salt electronic între orbitali diferiți.
Măsurătorile nu au arătat doar energiile la care apar excitațiile, ci au determinat și distribuția spațială a probabilității de excitație cu rezoluție submoleculară. Compararea cu rezultatele unor calcule elaborate — teoria funcționalei densității cu extensia dependentă de timp — a oferit confirmări suplimentare pentru atribuirea semnalelor de măsurare către stările moleculare implicate.
„Moleculele sunt sisteme cuantice. Pentru a le controla stările și a le folosi potențial ca elemente de construcție pentru calculatoarele cuantice, temperaturile scăzute sunt indispensabile”, a declarat Dr. Alexander Weismann, coautor al studiului. „În prezent, cercetarea fizică din Kiel explorează fenomenele cuantice de frontieră în cadrul KiNSIS — Kiel Nano, Surface and Interface Science. Sper că Universitatea din Kiel nu va abandona acest domeniu promițător.”
