Штефан Мюллеггер (Stefan Müllegger) и его коллеги из Университета Линца (Австрия) разработали новую методику, которая позволяет зарегистрировать индивидуальные спины электронов и ядер в отдельной молекуле может вывести спектроскопию ЯМР на атомный уровень [1]. Помимо того, что новый метод позволит определять строение веществ с максимальным на настоящее время разрешением, он также сможет применяться для манипуляции отдельными спинами – а такая возможность приближает создание технологий, подобных спинтронике и квантовым вычислениям.

Обычно при экспериментах ЯМР возбуждаются переходы между спиновыми состояниями системы, содержащей по крайней мере 10¹⁰, что, очевидно, страшно далеко от изучения отдельной молекулы, однако недавно сообщалось об управлении спинами ядер в «молекулярных транзисторах», в которых элементарной электронной системы для выполнения логических операций используется отдельная молекула [2].

Мюллеггер с коллегами решили расширить подход, связанный с наблюдением за спинами, и использовали для этого сканирующий туннельный микроскоп [scanning tunneling microscope (STM)], который был настроен таким образом, что ток, возникающий в результате туннельного перехода между зондом микроскопа и образцом приобретал чувствительность к изменению спинового состояния (при этом есть возможность анализировать спины, как ядер, так и электронов) атомов образца.

Исследователи дополнили стандартный STM электронной схемой собственного изготовления, которая накладывала радиочастотные модуляции (rf) на постоянный туннельный ток (dc). В магнитном поле спиновое состояние образца расщепляется подобно тому, как это происходит при проведении экспериментов по регистрации спектра ЯМР или ЭПР. Когда частоту электромагнитного поля rf настраивают таким образом, чтобы она резонировала с переходом между спиновыми состояниями, величина туннельного тока dc в значительной степени изменяется, в результате чего появляется спектральный сигнал, являющийся функцией rf. Как отмечает Мюллеггер, точная природа эффекта пока еще неизвестна, его особенности пока еще находятся на стадии обсуждения.

Исследователи из Линца продемонстрировали возможности своего метода, настроив сканирующий туннельный микроскоп для регистрации изменения спинового состояния электрона в ионе тербия, расположенном между двумя фталоцианиновыми лигандами – молекула такого металлоорганического соединения была закреплена на подложку из золота. Исследователи получили изображение молекулы с помощью STM, а также с помощью своей «надстройки» к устройству изучили спиновое состояние комплекса. В процессе исследования также удалось наблюдать несколько сверхтонких спиновых переходов, обусловленных взаимодействием спинов электронов и спина ядра тербия.

Тем не менее, как заявляют некоторые эксперты по изучению спиновых состояний отдельных молекул, для окончательного признания релевантности нового метода, необходимо решить еще ряд вопросов – в частности увеличить соотношение сигнал/шум, а также разработать способ, позволяющий регистрировать обзорный спектр системы (пока еще регистрируются только небольшие интервалы спектра с отдельными пиками, что, естественно, ставит под вопрос корректность отнесения авторами зарегистрированных сигналов тем или иным переходам).

Источники:

[1] Phys. Rev. Lett. 113, 133001, 2014, DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.133001;

[2] Science 344, 1135, 2014, DOI: 10.1126/science.1249802.