Учёные из Германии раскрыли тайны наноимaging: новый взгляд на атомные колебания с помощью спектроскопии TERS

Недавнее исследование, проведенное учеными из Института Макса Планка по структуре и динамике вещества (MPSD) и Института полимерных исследований (MPIP), открывает новые горизонты для понимания атомных колебаний на наноуровне. Авторы работы, Кристоф Брезина, доктор философии, и Мариана Росси, доктор философии, совместно с Яиром Литманом, доктором философии, разработали мощный метод симуляции атомных вибраций на уровне ангстрема, что позволило пересмотреть давние предположения о трактовке данных, получаемых с помощью высокоразрешающей спектроскопии, в частности, в рамках технологии спектроскопии, усиленной зонным кончиком (TERS).

Технология TERS: новые горизонты в спектроскопии

Технология TERS сочетает в себе лазерное излучение с острым металлическим кончиком, что позволяет сосредоточить электромагнитное поле в крошечном объёме. Это позволяет добиться разрешения в пределах одного нанометра и даже изучать отдельные молекулы или дефекты в двумерных материалах, таких как графен или переходные металлооксиды.

Тем не менее, интерпретация данных, полученных с помощью TERS, требует надёжных теоретических моделей, которые могут связать измеренные сигналы с атомным движением. Это особенно актуально из-за влияния электронных свойств металлической подложки, которые могут искажать создаваемые сигналы. По словам Марианы Росси, TERS-изображения часто интерпретируются как прямые карты атомного движения, но это может быть заблуждением.

Пересмотр подходов: роль электронных эффектов

Разработанный командой подход заключается в использовании не упрощенных, а более реалистичных квантовых симуляций. Исследование показало, что общее недооценка влияния электронной реакции подложки может привести к искажению полученных данных. Например, распространенные упрощения, такие как модель изолированного молекулы или использование маленьких кластеров для приближения поверхности, могут привести к неверным выводам.

«Наши результаты показывают, что электронная реакция поверхности может доминировать над сигналом и существенно изменить значение этих изображений», — подчеркнула Росси в пресс-релизе.

Потенциальные приложения в науке и технике

Полученные данные открывают новые пути более точного изображения вибрационного движения атомов и могут оказать значительное влияние на несколько быстроразвивающихся областей. Например, их использование может повысить эффективность картирования дефектов в двумерных материалах, способствовать разработке электронной техники на уровне одной молекулы, улучшить изучение катализаторов на поверхности при операционных условиях, а также повлиять на технологии секвенирования генома следующего поколения.

Учитывая, что текущие исследования в области нано- и квантовой физики максимально приближаются к пределам разрешающей способности, результаты работы также подчеркивают важность учета пространственно не локальных взаимодействий между атомами, которые могут значительно влиять на сигналы TERS в определённых точках пространства. Как отметил Брезина, яркие участки на изображении не всегда отображают наибольшие атомные движения, что добавляет новый уровень сложности в интерпретацию данных.

Таким образом, новые подходы, представленные в этом исследовании, открывают возможность для более глубокого понимания структуры отдельных материалов и их поведения на наноуровне, что является критически важным для развития современных технологий.