Att använda en enda molekyl som sensor, forskare i Jülich har framgångsrikt avbildat elektriska potentialfält med oöverträffad precision. De ultrahögupplösta bilderna ger information om fördelningen av laddningar i elektronskalen hos enstaka molekyler och till och med atomer. 3D-tekniken är också kontaktfri. De första resultaten som uppnåtts med "scanning quantum dot microscopy" har publicerats i det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev . Den relaterade publikationen valdes som redaktörens förslag och valdes som synpunkt i vetenskapsportalen Fysik. Tekniken är relevant för olika vetenskapliga områden inklusive undersökningar av biomolekyler och halvledarmaterial.

"Vår metod är den första att avbilda elektriska fält nära ytan av ett prov kvantitativt med atomär precision på sub-nanometerskalan, " säger Dr Ruslan Temirov från Forschungszentrum Jülich. Sådana elektriska fält omger alla nanostrukturer som en aura. Deras egenskaper ger information, till exempel, på fördelningen av laddningar i atomer eller molekyler.

För deras mått, Jülich-forskarna använde ett atomkraftmikroskop. Detta fungerar lite som en skivspelare:en spets rör sig över provet och delar ihop en komplett bild av ytan. För att avbilda elektriska fält fram till nu, forskare har använt hela den främre delen av skanningsspetsen som en Kelvin-sond. Men den stora storleksskillnaden mellan spetsen och provet orsakar upplösningssvårigheter – om vi skulle föreställa oss att en enda atom var lika stor som ett stifthuvud, då skulle spetsen på mikroskopet vara lika stor som Empire State Building.

Enskild molekyl som sensor

För att förbättra upplösning och känslighet, forskarna i Jülich fäste en enda molekyl som en kvantprick till spetsen av mikroskopet. Kvantprickar är små strukturer, mäter inte mer än några nanometer tvärs över, som på grund av kvantinneslutning endast kan anta vissa, diskreta tillstånd jämförbara med energinivån för en enskild atom.

Molekylen i spetsen av mikroskopet fungerar som en strålbalans, som lutar åt ena eller andra sidan. En förskjutning i den ena eller andra riktningen motsvarar närvaron eller frånvaron av en extra elektron, som antingen hoppar från spetsen till molekylen eller inte. Den "molekylära" balansen jämför inte vikter utan snarare två elektriska fält som verkar på den molekylära sensorns mobila elektron:det första är fältet för en nanostruktur som mäts, och det andra är ett fält som omger mikroskopets spets, som bär en spänning.

"Spänningen vid spetsen varieras tills jämvikt uppnås. Om vi ​​vet vilken spänning som har lagts på, vi kan bestämma provets fält vid molekylens position, " förklarar Dr Christian Wagner, medlem i Temirovs grupp unga utredare vid Jülichs Peter Grünberg-institut (PGI-3). "Eftersom hela den molekylära balansen är så liten, som endast består av 38 atomer, vi kan skapa en mycket skarp bild av provets elektriska fält. Det är lite som en kamera med väldigt små pixlar."

Universellt tillämplig

Ett patent söks för metoden, som är särskilt lämplig för att mäta grova ytor, till exempel de av halvledarstrukturer för elektroniska enheter eller vikta biomolekyler. "I motsats till många andra former av scanning sond mikroskopi, scanning quantum dot microscopy kan till och med fungera på ett avstånd av flera nanometer. I nanovärlden, det är ett ganska långt avstånd, säger Christian Wagner. Tills nu, tekniken som utvecklats i Jülich har endast tillämpats i högt vakuum och vid låga temperaturer:väsentliga förutsättningar för att noggrant fästa den enskilda molekylen på mikroskopets spets.

"I princip, variationer som skulle fungera vid rumstemperatur är tänkbara, " tror fysikern. Andra former av kvantprickar skulle kunna användas som en sensor i stället för molekylen, som de som kan realiseras med halvledarmaterial:ett exempel skulle vara kvantprickar gjorda av nanokristaller som de som redan används i grundforskning.