Forskare från universitetet i Strasbourg, Frankrike, i nära samarbete med kollegor från forskningscentra i San Sebastián, Spanien, och Jülich, Tyskland, har uppnått ett genombrott när det gäller att detektera magnetiska moment hos strukturer i nanoskala. De lyckades göra de magnetiska momenten synliga med en upplösning ner till atomnivå med hjälp av ett scanning tunnelmikroskop, en enhet som har varit standard inom vetenskapen i många år. Forskarna gjorde den känslig för magnetiska egenskaper genom att placera en liten molekyl innehållande en nickelatom vid mikroskopspetsen. Resultaten publicerade i det aktuella numret av Vetenskap öppnar en ny väg för att uppnå grundläggande insikter i strukturer i atomskala och för design av framtida enheter i atomskala som lagringsenheter i nanoskala och kvantsimulatorer.

Att utforska världen av enskilda atomer och molekyler, forskare använder mikroskop som inte förlitar sig på en ljusstråle eller elektroner utan snarare kan ses som den ultimata versionen av en analog skivspelare. Dessa instrument, namngivna skanningssondmikroskop, använd änden av en vass nål som en spets för att "läsa" spåren som skapas av atomer och molekyler på den stödjande ytan. För att känna av närheten mellan spets och yta använder forskarna en liten elektrisk ström som börjar flyta när båda bara är åtskilda av en bråkdel av en nanometer - det vill säga en miljondels millimeter. Reglering av spetsen för att bibehålla detta avstånd möjliggör topografisk avbildning genom att skanna ytan.

Medan grundidén med sådana mikroskop har utvecklats sedan 1980-talet, bara under det senaste decenniet har forskare i olika laboratorier lärt sig att utöka kapaciteten hos dessa mikroskop genom att smart designa änden av deras sonderingsspets. Till exempel, genom att fästa en liten molekyl, som CO eller väte, en aldrig tidigare skådad ökning av rumslig upplösning har uppnåtts där molekylens flexibilitet gjorde även kemiska bindningar synliga.

Liknande, författarna till den senaste publikationen i Vetenskap specialtillverkade sin instrumentering för att få en ny funktion till den skarpa spetsen:De gjorde den känslig för magnetiska moment genom att placera en molekyl som innehåller en enda nickelatom - en så kallad kvantmolekylär magnet - vid spetsen. Denna molekyl kan föras elektriskt in i olika magnetiska tillstånd med lätthet på ett sådant sätt att den fungerar som en liten magnet. Medan dess grundtillstånd faktiskt inte har något magnetiskt moment, dess exciterade tillstånd har ett magnetiskt moment som känner av närliggande ögonblick med oöverträffad rumslig upplösning och hög känslighet.

Vikten av denna prestation är mångfaldig. För första gången, denna metod gör det möjligt att avbilda ytstrukturer i kombination med deras magnetiska egenskaper i atomär upplösning. Användningen av en molekyl som en aktiv sensor gör den mycket reproducerbar och enkel att implementera i instrument som används av andra grupper över hela världen som arbetar på fältet. "Mörka" magnetiska moment av komplexa magnetiska strukturer, som vanligtvis är svåra att mäta, bli tillgänglig, vilket är viktigt för att förstå deras inre struktur. Och metoden erbjuder ytterligare en fördel. Eftersom grundtillståndet för den molekylära sensorn är icke-magnetiskt, mätningen inducerar endast minimal bakåtverkan på systemet som studeras, vilket är viktigt för flyktiga tillstånd på nanoskala.

Sammanfattningsvis, med detta arbete har forskare utökat sin verktygslåda i nanoskala med ett nytt verktyg som är känsligt för de magnetiska egenskaperna som kommer att vara viktigt för framtida tillämpningar – allt från minnesenheter i nanoskala till nya material eller tillämpningar inom området kvantsimulering och beräkningar.