Німецькі фізики здійснили прорив, вимірявши сигнал електронного парамагнітного резонансу молекул дейтерованого пентацену на підкладці з хлориду натрію. Вони досягли цього, стимулюючи триплетний електронний рівень за допомогою тунельного електрону з кінчика кантилевера. Їх дослідження опубліковано в журналі Nature.
Спектр молекули діангідриду перилентетракарбонової кислоти, Lisanne Sellies et al. / Nature, 2023
Вимірювання властивостей окремих молекул чи атомів є великим викликом через складності збору достатнього сигналу стандартними методами. Проте деякі наукові групи знаходять шляхи для цього. Чотири роки тому американсько-корейська група змогла зробити МРТ окремих атомів, використовуючи скануючий тунельний мікроскоп та магнітний зонд з атомів заліза. Інші вчені вдосконалили мас-спектрометр для вимірювання маси окремих молекул. Атом стронцію був зафіксований на звичайному фотоапараті п’ять років тому. Проте комбінація атомно-силового мікроскопа з ЕПР-спектрометром досі не була реалізована.
Цей виклик прийняла група німецьких фізиків під керівництвом Яші Реппа з Університету Регенсбурга. Вони адаптували прилад, щоб виміряти триплет-триплетний перехід у молекулі дейтерованого пентацену. Для цього вони використали пластину слюди з золотими мікрополосками та покриттям з тонкої плівки хлориду натрію, а також змінили наконечник мікроскопа, покривши його молекулою CO для кращого розділення вуглеводнів. Це допомогло зберегти квантовий стан молекули.
Схема модифікованого атомно-силового мікроскопа, Lisanne Sellies et al. / Nature, 2023
Вони використовували змінний струм у золотих дротах під молекулою для індукування магнітного поля, що дозволило вимірювати резонанс, спостерігаючи тривалість триплетного рівня. Виявлено, що частотний діапазон триплет-триплетного переходу є дуже вузьким, що вказує на довготривалий когерентний стан. Експерименти з осциляціями Рабі також показали, що частота цих осциляцій залежить від конфігурації ядерних спінів молекули.
Спектр ЕПР молекули дейтерованого пентацену був у 14 разів вужчим, ніж у водневого пентацену, через меншу надтонку взаємодію атомів дейтерію. Час напіврозпаду осциляцій Рабі був 16 ± 4 мікросекунди, у порівнянні з 2,2 ± 0,3 мікросекунди для водневого аналога.
Незважаючи на вирішення багатьох проблем, що впливають на квантовий стан молекули, залишаються деякі фактори, пов’язані з самою речовиною. Нова установка дозволить краще вивчати ці взаємодії. Також важливо відзначити, що вивчення молекул у магнітному полі може допомогти зрозуміти їх властивості у відсутності поля.
Паралельно з технічними поліпшеннями атомно-силового мікроскопа, вчені також вдосконалюють методи аналізу даних, отриманих з його допомогою. Наприклад, фізики з США і Великобританії розробили методику аналізу серії зображень, що дозволяє зменшити шум і покращити візуалізацію молекул амінокислот з високою роздільною здатністю.