Атомно-силовой микроскоп отличил дейтерий от водорода в молекуле пентацена

Физики из Германии нанесли молекулы дейтерированного пентацена на подложку из хлорида натрия и смогли измерить сигнал электронного парамагнитного резонанса. Это удалось сделать благодаря возбуждению триплетного электронного уровня туннелирующим электроном с кончика кантилевера. Работа опубликована в журнале Nature.

Измерения свойств отдельных молекул или даже атомов требуют сложных методов, ведь стандартные методы измерения отклика, например, электронов, не смогут набрать достаточного сигнала. Однако то и дело появляются группы ученых, которым все же удается это сделать. Например, четыре года назад группа физиков из США и Южной Кореи смогла снять МРТ с отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и магнитного зонда из атомов железа. Другие ученые улучшили масс-спектрометр, чтобы тот мог измерить массу отдельной молекулы, а не ансамбля. Более того, иногда даже не требуется сложной измерительной аппаратуры — пять лет назад атом стронция удалось сфотографировать с помощью обычного фотоаппарата. Тем не менее идея объединить атомно-силовой микроскоп и ЭПР-спектрометр до сих пор реализована не была.

Это удалось группе немецких физиков под руководством Яши Реппа (Jascha Repp) из Университета Регенсбурга. С помощью комбинированного прибора они смогли измерить процесс триплет-триплетного перехода молекулы дейтерированного пентацена. Для модификации прибора ученые использовали пластинку слюды с нанесенными золотыми микрополосами толщиной в 300 нанометров, на которые наносили тонкую пленку диэлектрического хлорида натрия (порядка 20 атомарных слоев), чтобы избежать туннелирования электронов между металлом и молекулой. Поменяли так же и наконечник атомно-силового микроскопа — на его кончик нанесли молекулу CO, чтобы повысить разрешение при съемке углеводородов. Все это делалось для того, чтобы квантовое состояние измеряемой молекулы как можно дольше сохраняло свои свойства без изменений.

По золотым проводам, находящимся под молекулой, физики пускали переменный ток, который индуцировал осциллирующее магнитное поле в области образца, что и позволяло измерять резонансный спектр, наблюдая величину времени жизни триплетного уровня, возбужденного посредством туннелирования электрона с кончика кантилевера атомно-силового микроскопа.

Узкий диапазон частоты триплет-триплетного перехода предполагает, что квантовое когерентное состояние удерживается достаточно долго. Чтобы это подтвердить, ученые провели эксперимент по наблюдению осцилляций Раби (их, например, наблюдали в электронах, выбитых из гелия ультрафиолетом) — то есть воздействовали на систему магнитным полем с частотой, близкой к резонансу. Со временем амплитуда осцилляций падала, что авторы связывают с недостаточно точным подбором частоты, так как в случае одной молекулы частота Раби зависит от конфигурации ядерных спинов молекулы.

Спектр электронного парамагнитного резонанса молекулы дейтерированного пентацена оказался в 14 раз уже, чем для водородного пентацена, что связано с меньшим сверхтонким взаимодействием атомов дейтерия. А время полураспада осцилляций Раби составило 16 ± 4 микросекунды в отличие от 2,2 ± 0,3 микросекунды для водородного аналога. Такие значительные отличия позволили различить молекулы пентацена с разным содержанием атомов водорода и дейтерия.

Несмотря на то, что авторы разобрались со множеством процессов, нарушающих квантовое состояние молекулы (проводимость подложки, магнитное поле от наконечника и тому подобное), остаются еще некоторые малоинтенсивные факторы, связанные уже с самим изучаемым веществом: сверхтонкое взаимодействие внутри молекулы, взаимодействие молекулы и атомов подложки, или даже взаимодействие молекул с соседними молекулами. Их и удастся изучить при помощи данной установки — раньше искажение было гораздо больше. К тому же изучение свойств молекул в осциллирующем магнитном поле позволит узнать их свойства в нулевом поле, что позволит различать разные молекулы друг от друга.

Пока одни ученые занимаются технической модернизацией атомно-силового микроскопа, другие улучшают методы анализа данных, полученных с его помощью. Так физики из США и Великобритании предложили анализировать сразу серию изображений, что позволило снизить количество шумов и разглядеть молекулы аминокислот с разрешением в десятые доли нанометра.