Kieler Physiker machen Molekülschwingungen besser messbar

Das Model zeigt die Molekülanordnung auf einem Bleisubstrat.
© Jan Homberg

Schärfer denn je:

Mit Rastertunnelmikroskopen lassen sich zwar einzelne Moleküle abbilden, ihre Schwingungen waren damit bisher aber nur schwer detektierbar. Physiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erfanden nun eine Methode, mit der sich die Vibrationssignale bis um das Fünfzigfache verstärken lassen. Gleichzeitig steigerten sie damit die Frequenzauflösung um ein Vielfaches. Die neue Methode wird helfen, Wechselwirkungen in Molekülsystemen besser zu verstehen und Simulationsmethoden weiterzuentwickeln. Die Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam jetzt im Fachjournal Physical Review Letters.

Die Bleiphthalocyanin-Moleküle auf einer supraleitenden Bleioberfläche erscheinen in diesem Mikroskopbild als vierblättrige Kleeblätter. Die Vibrationen dieser Moleküle wurden mit der neuen Methode untersucht.
© Jan Homberg

In Molekülen vibrieren die Atome mit jeweils charakteristischen Mustern und Frequenzen. Deshalb sind Vibrationen ein wichtiges Hilfsmittel zur Untersuchung von Molekülen und molekularen Prozessen wie chemischen Reaktionen. Mit Rastertunnelmikroskopen lassen sich zwar einzelne Moleküle abbilden, ihre Schwingungen waren damit bisher aber nur schwer detektierbar. Physiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erfanden nun eine Methode, mit der sich die Vibrationssignale bis um das Fünfzigfache verstärken lassen. Gleichzeitig steigerten sie damit die Frequenzauflösung um ein Vielfaches. Die neue Methode wird helfen, Wechselwirkungen in Molekülsystemen besser zu verstehen und Simulationsmethoden weiterzuentwickeln. Die Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam jetzt im Fachjournal Physical Review Letters.

Für die Entdeckung von Dr. Jan Homberg, Dr. Alexander Weismann und Prof. Dr. Richard Berndt vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, spielt ein quantenmechanischer Effekt eine entscheidende Rolle, das sogenannte inelastische Tunneln. Elektronen, die auf ihrem Weg im Rastertunnelmikroskop von einer Metallspitze zur Substratoberfläche ein Molekül durchqueren, können Energie an das Molekül abgeben oder von ihm aufnehmen. Dieser Energieaustausch erfolgt in Portionen, die von den Eigenschaften des jeweiligen Moleküls bestimmt werden.

Normalerweise geschieht dieser Energieübertrag nur selten und ist deshalb schwer messbar. Um das Messsignal zu verstärken und simultan eine hohe Frequenzauflösung zu erreichen, nutzte das CAU-Team eine besondere Eigenschaft von Molekülen auf Supraleitern, die sie zuvor entdeckt hatten: Geeignet arrangiert zeigen die Moleküle einen Zustand, der in Spektren nadelförmig, sehr hoch und extrem scharf erscheint, also sehr gut sichtbar ist – die sogenannte Yu-Shiba-Rusinov Resonanz. Unterstützt wurden die Experimente durch theoretische Arbeiten von Troels Markussen von der Software-Firma Synopsis in Kopenhagen.

Der Artikel wurde von den Herausgebern des Journals als Editors‘ Suggestion hervorgehoben.

http://www.youtube.com/watch?v=WspdkWDmOYk Animierte Simulation von typischen Schwingungsmustern zweier Bleiphthalocyanin-Moleküle (oben Draufsicht, unten von der Seite). Zur besseren Erkennbarkeit ist die Größe der Auslenkungen der Atome stark übertrieben. © Jan Homberg, Alexander Weismann

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Richard Berndt
Oberflächenphysik
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Telefon: +49 431/880-3946
E-Mail: berndt@physik.uni-kiel.de

Originalpublikation:

Resonance-Enhanced Vibrational Spectroscopy of Molecules on a Superconductor. J. Homberg, A. Weismann, T. Markussen, R. Berndt. Phys. Rev. Lett. 129, 116801 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.116801 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.116801

Weitere Informationen:

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/136-molekuelschwingungen Link zur Meldung
https://www.kinsis.uni-kiel.de Website des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Media Contact

Eva Sittig Presse, Kommunikation und Marketing
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Analyse von Partikeln des Asteroiden Ryugu liefert überraschende Ergebnisse

Eine kleine Landekapsel brachte im Dezember 2020 Bodenpartikel vom Asteroiden Ryugu zur Erde – Material aus den Anfängen unseres Sonnensystems. Gesammelt hatte die Proben die japanische Raumsonde Hayabusa 2. Geowissenschaftler…

Kollision in elf Millionen Kilometern Entfernung

Die im letzten Jahr gestartete NASA-Raumsonde DART wird am 27. September 2022 um 1.14 Uhr MESZ in elf Millionen Kilometer Entfernung von der Erde erproben, ob der Kurs eines Asteroiden…

Wie die Erderwärmung astronomische Beobachtungen beeinträchtigt

Astronomische Beobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen sind extrem abhängig von lokalen atmosphärischen Bedingungen. Der menschgemachte Klimawandel wird einige dieser Bedingungen an Beobachtungsstandorten rund um den Globus negativ beeinflussen, wie ein Forschungsteam…

Partner & Förderer