На этом микроскопическом изображении молекулы фталоцианина свинца на сверхпроводящей поверхности свинца выглядят как четырехлистный клевер. Колебания этих молекул изучались новым методом. Кредит: Ян Хомберг

В молекулах атомы вибрируют с характерными узорами и частотами. Таким образом, вибрации являются важным инструментом для изучения молекул и молекулярных процессов, таких как химические реакции. Хотя для изображения отдельных молекул можно использовать сканирующие туннельные микроскопы, их колебания до сих пор трудно обнаружить.

Физики Кильского университета (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, CAU) изобрели метод, с помощью которого сигналы вибрации можно усиливать до 50 раз. Кроме того, они значительно увеличили разрешение по частоте. Новый метод улучшит понимание взаимодействий в молекулярных системах и дальнейшие методы моделирования. Исследовательская группа опубликовала результаты в журнале Physical Review Letters.

Открытие доктора Яна Хомберга, доктора Александра Вайсмана и профессора доктора Ричарда Берндта из Института экспериментальной и прикладной физики основано на особом квантово-механическом эффекте, так называемом «неупругом туннелировании». Электроны, которые проходят через молекулу на пути от металлического наконечника к поверхности подложки в сканирующем туннельном микроскопе, могут отдавать энергию молекуле или забирать энергию у нее. Этот обмен энергией происходит порциями, определяемыми свойствами соответствующей молекулы.

Предоставлено: Университет Кристиана-Альбрехта в Киле.

Обычно такая передача энергии происходит редко, и поэтому ее трудно измерить. Чтобы усилить измерительный сигнал и одновременно достичь высокого разрешения по частоте, команда CAU использовала особое свойство молекул на сверхпроводниках, которое они ранее обнаружили: правильно расположенные молекулы показывают состояние в спектрах, которые кажутся игольчатыми, очень высокими и чрезвычайно острыми — так называемый резонанс Ю-Шиба-Русинова.

Модель показывает расположение молекул на свинцовой подложке. Кредит: Ян Хомберг

Эксперименты были подкреплены теоретической работой Троэлса Маркуссена из компании Synopsis, занимающейся разработкой программного обеспечения, в Копенгагене.