Wetenschappers van de Universiteit van Straatsburg, Frankrijk, in nauwe samenwerking met collega's van onderzoekscentra in San Sebastián, Spanje, en Gulik, Duitsland, hebben een doorbraak bereikt in het detecteren van de magnetische momenten van structuren op nanoschaal. Ze slaagden erin om de magnetische momenten met een resolutie tot op atomair niveau zichtbaar te maken met behulp van een scanning tunneling microscoop, een apparaat dat al jaren standaard is in de wetenschap. De onderzoekers maakten het gevoelig voor magnetische eigenschappen door een klein molecuul met een nikkelatoom op de punt van de microscoop te plaatsen. De resultaten gepubliceerd in het huidige nummer van Wetenschap opent een nieuwe weg om fundamentele inzichten te verkrijgen in structuren op atomaire schaal en voor het ontwerp van toekomstige apparaten op atomaire schaal, zoals opslagapparaten op nanoschaal en kwantumsimulators.

Om de wereld van individuele atomen en moleculen te verkennen, wetenschappers gebruiken microscopen die niet afhankelijk zijn van een lichtstraal of elektronen, maar eerder gezien kunnen worden als de ultieme versie van een analoge platenspeler. Deze instrumenten, genaamd scanning probe microscopen, gebruik het uiteinde van een scherpe naald als punt om de groeven te 'lezen' die door atomen en moleculen op het ondersteunende oppervlak zijn gemaakt. Om de nabijheid tussen de punt en het oppervlak te voelen, gebruiken de wetenschappers een kleine elektrische stroom die begint te vloeien wanneer beide slechts een fractie van een nanometer van elkaar gescheiden zijn - dat is een miljoenste van een millimeter. Door de tip te regelen om deze afstand te behouden, wordt topografische beeldvorming mogelijk door het oppervlak te scannen.

Hoewel het basisidee van dergelijke microscopen sinds de jaren tachtig is ontwikkeld, pas in de afgelopen tien jaar hebben wetenschappers in verschillende laboratoria geleerd om de mogelijkheden van deze microscopen uit te breiden door het uiteinde van hun sondepunt slim te ontwerpen. Bijvoorbeeld, door een klein molecuul te hechten, zoals CO of waterstof, er is een ongekende toename in ruimtelijke resolutie bereikt waarbij de flexibiliteit van het molecuul zelfs chemische bindingen zichtbaar maakte.

evenzo, de auteurs van de recente publicatie in Wetenschap speciaal hun instrumentatie ontworpen om een ​​nieuwe functie naar de scherpe punt te brengen:ze maakten het gevoelig voor magnetische momenten door een molecuul met een enkel nikkelatoom - een zogenaamde kwantummoleculaire magneet - aan de top te plaatsen. Dit molecuul kan met gemak elektrisch in verschillende magnetische toestanden worden gebracht op zo'n manier dat het werkt als een minuscuul magneetje. Hoewel de grondtoestand in feite geen magnetisch moment bezit, zijn aangeslagen toestanden hebben een magnetisch moment dat nabije momenten detecteert met een ongekende ruimtelijke resolutie en hoge gevoeligheid.

Het belang van deze prestatie is legio. Voor de eerste keer, deze methode maakt het mogelijk om oppervlaktestructuren in combinatie met hun magnetische eigenschappen in atomaire resolutie af te beelden. Het gebruik van een molecuul als actieve sensor maakt het zeer reproduceerbaar en gemakkelijk te implementeren in instrumenten die worden gebruikt door andere groepen wereldwijd die in het veld werken. "Donkere" magnetische momenten van complexe magnetische structuren, die meestal moeilijk te meten zijn, toegankelijk worden, wat belangrijk is om hun innerlijke structuur te begrijpen. En de methode biedt nog een voordeel. Omdat de grondtoestand van de moleculaire sensor niet-magnetisch is, de meting veroorzaakt slechts een minimale terugwerking op het bestudeerde systeem, wat belangrijk is voor vluchtige toestanden op nanoschaal.

Samengevat, met dit werk hebben wetenschappers hun gereedschapskist op nanoschaal uitgebreid met een nieuw gereedschap dat gevoelig is voor de magnetische eigenschappen die belangrijk zullen zijn voor toekomstige toepassingen, variërend van geheugenapparaten op nanoschaal tot nieuwe materialen of toepassingen op het gebied van kwantumsimulatie en computergebruik.