仅使用扫描隧道显微镜即可以原子分辨率感应磁性

 
钴在铜表面上的一个小岛的地形图(尺寸为25纳米乘以25纳米)。 Nc标记用于功能化尖端的分子。微小的正方形标记了放大区域，该区域在左上角放大显示，并且显示了该层中不同钴原子产生的不同磁场相互作用场。图片来源：ForschungszentrumJülich/ Markus Ternes法国斯特拉斯堡大学的科学家与西班牙圣塞瓦斯蒂安和德国尤利希研究中心的同事密切合作，在检测纳米级结构的磁矩方面取得了突破。他们使用扫描隧道显微镜成功地使磁矩以低至原子水平的分辨率可见，这是多年来在科学界已成为标准设备。研究人员通过在显微镜尖端放置一个含有镍原子的小分子使其对磁性敏感。在本期《科学》杂志上发表的结果开辟了一条新的道路，可以获取对原子级结构的基本见解，并可以用于设计未来的原子级设备，例如纳米级存储设备和量子模拟器。
为了探索单个原子和分子的世界，科学家使用了不依赖于光线或电子射线的显微镜，而是将其视为类似电唱机的终极版本。这些仪器被称为扫描探针显微镜，使用锋利的针的末端作为尖端，以“读取”由支撑表面上的原子和分子形成的凹槽。为了检测尖端与表面之间的接近性，科学家使用了微小的电流，当两者仅相隔一纳米的几分之一(即百万分之一毫米)时，电流便开始流动。调节尖端以保持此距离可以通过扫描表面来进行地形成像。
尽管这种显微镜的基本概念是从1980年代开始发展起来的，但是直到最近十年，不同实验室的科学家才学会通过巧妙地设计探针尖端来扩展这些显微镜的功能。例如，通过连接一个小分子(如CO或氢)，实现了空间分辨率的前所未有的提高，其中分子的柔韧性使化学键均可见。
同样，最近在《科学》杂志上发表的论文的作者精心设计了仪器，使其尖端功能具有新颖性：他们通过将包含单个镍原子的分子(即所谓的量子分子磁体)放置在尖端，使其对磁矩敏感。顶点。可以轻松地将这种分子电化为不同的磁性状态，使其像微型磁铁一样起作用。尽管其基态实际上不具有磁矩，但其激发态确实具有磁矩，该磁矩以前所未有的空间分辨率和高灵敏度感应附近的矩。
这一成就的重要性是多方面的。该方法首次使以原子分辨率结合其磁性的表面结构成像成为可能。分子作为主动传感器的使用使其非常可重现，并且易于在全球范围内从事该领域工作的其他小组使用的仪器中实施。通常难以测量的复杂磁性结构的“暗”磁矩变得可访问，这对于理解其内部结构很重要。该方法提供了另一个优点。由于分子传感器的基态是非磁性的，因此该测量仅引起对所研究系统的最小反作用，这对于纳米级的挥发性状态非常重要。
总之，通过这项工作，科学家们利用对磁性敏感的新工具扩展了其纳米级工具箱，这对于未来的应用很重要-从纳米级存储设备到新型材料或在量子模拟和计算领域的应用。