僅使用掃描隧道顯微鏡即可以原子分辨率感應(yīng)磁性

法國斯特拉斯堡大學(xué)的科學(xué)家與西班牙圣塞瓦斯蒂安和德國尤利希研究中心的同事密切合作，在檢測納米級結(jié)構(gòu)的磁矩方面取得了突破。他們使用掃描隧道顯微鏡成功地使磁矩以低至原子水平的分辨率可見，這是多年來在科學(xué)界已成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。研究人員通過在顯微鏡尖端放置一個(gè)含有鎳原子的小分子使其對磁性敏感。結(jié)果發(fā)表在本期《科學(xué)》雜志上開辟了一條新穎的道路，可獲取對原子級結(jié)構(gòu)的基本見解，并用于設(shè)計(jì)未來的原子級設(shè)備，例如納米級存儲設(shè)備和量子模擬器。

為了探索單個(gè)原子和分子的世界，科學(xué)家使用了不依賴于光線或電子的顯微鏡，而是將其視為類似電唱機(jī)的終極版本。這些儀器被稱為掃描探針顯微鏡，使用鋒利的針的末端作為尖端，以“讀取”由支撐表面上的原子和分子形成的凹槽。為了檢測尖端與表面之間的接近性，科學(xué)家使用了微小的電流，當(dāng)兩者僅相隔一納米的幾分之一(即百萬分之一毫米)時(shí)，電流便開始流動(dòng)。調(diào)節(jié)尖端以保持此距離可以通過掃描表面來進(jìn)行地形成像。

盡管這種顯微鏡的基本概念是從1980年代開始發(fā)展起來的，但是直到最近十年，不同實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家才學(xué)會(huì)通過巧妙地設(shè)計(jì)探針尖端來擴(kuò)展這些顯微鏡的功能。例如，通過連接一個(gè)小分子(如CO或氫)，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率的前所未有的提高，其中分子的柔韌性使化學(xué)鍵均可見。

同樣，最近在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文的作者精心設(shè)計(jì)了儀器，使其尖端功能具有新穎性：他們通過將包含單個(gè)鎳原子的分子(即所謂的量子分子磁體)放置在尖端，使其對磁矩敏感。頂點(diǎn)?？梢暂p松地將這種分子電化為不同的磁性狀態(tài)，使其像微型磁鐵一樣起作用。盡管其基態(tài)實(shí)際上不具有磁矩，但其激發(fā)態(tài)確實(shí)具有磁矩，該磁矩以前所未有的空間分辨率和高靈敏度感應(yīng)附近的矩。

這一成就的重要性是多方面的。該方法首次使以原子分辨率結(jié)合其磁性的表面結(jié)構(gòu)成像成為可能。分子作為主動(dòng)傳感器的使用使其非常可重現(xiàn)，并且易于在全球范圍內(nèi)從事該領(lǐng)域工作的其他小組使用的儀器中實(shí)施。通常難以測量的復(fù)雜磁性結(jié)構(gòu)的“暗” 磁矩變得可訪問，這對于理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很重要。該方法提供了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榛鶓B(tài) 由于分子傳感器的傳感器是非磁性的，因此該測量僅對被研究系統(tǒng)產(chǎn)生最小的反作用，這對于納米級的揮發(fā)性狀態(tài)非常重要。

總之，通過這項(xiàng)工作，科學(xué)家們利用對磁性敏感的新工具擴(kuò)展了其納米級工具箱，這對于未來的應(yīng)用很重要-從納米級存儲設(shè)備到新型材料或在量子模擬和計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用。