Cientistas formaram uma molécula de terra rara carregada em uma superfície de metal e a giraram

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Conceito de física de partículas atômicas quânticas

A descoberta abre novas possibilidades de pesquisa sobre a manipulação em escala atômica de materiais importantes para o futuro

Pela primeira vez, os cientistas formaram uma molécula de terra rara carregada em uma superfície de metal e a giraram usando microscopia de tunelamento.

Cientistas de Universidade de Ohio, Laboratório Nacional de Argonnee as Universidade de Illinois em Chicago usou microscopia de tunelamento de varredura para formar uma molécula de terra rara carregada em uma superfície de metal e girá-la no sentido horário e anti-horário sem afetar sua carga.

Suas descobertas abrem novos caminhos para pesquisas sobre a manipulação em escala atômica de materiais importantes para o futuro, desde[{” attribute=””>quantum computing to consumer electronics.

“Rare earth elements are vital for high-technological applications including cell phones, HDTVs, and more. This is the first-time formation of rare-earth complexes with positive and negative charges on a metal surface and also the first-time demonstration of atomic-level control over their rotation,” said team lead Saw-Wai Hla, who has dual appointments as a scientist at Argonne and professor of physics and astronomy in the College of Arts and Sciences at Ohio University.

The experiment was carried out at both Argonne and Ohio University, utilizing two different low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) systems. The environment for STM experiments requires a temperature of about 5 degrees K (-450 degrees Fahrenheit) in an ultrahigh vacuum. The size of the sample molecules was roughly 2 nanometers.

Rare Earth Rotor

Rare-Earth Rotor. (a) STM image of a rotating Eu complex appears as a disc shape on Au(111). (b) Controlled rotations are performed by supplying electrical energy from an STM tip. (c), (d) Before and after rotation of a complex, respectively. The dashed circle indicates the counterion used for the control. Credit: Saw Wai Hla

“The same results were achieved in both locations, which ensures reproducibility,” Hla said. The Ohio lab is operated by students of the Hla group associated with the Nanoscale & Quantum Phenomena Institute.

The scientists’ research was recently published in the journal Nature Communications

The rare-earth complexes the researchers assembled were positively charged Europium base molecules with negatively charged counterions on a gold surface. Rotations of the complexes resulted from applying electric field emanating from the STM tip, using the counterion underneath as a pivot. The researchers demonstrated 100% directional control over the rotation of these rare-earth complexes.


Este filme revela diferentes posições energéticas e as formas de orbitais desocupados de [Eu(pcam)3X]2+ e [Eu(pcam)3]3+. É criado a partir de mapas espectroscópicos de 8000 dI/dV adquiridos sobre um par de [Eu(pcam)3X]2+ – [Eu(pcam)3]3+ complexos na faixa de ±2000 mV com intervalo de 1 mV entre os quadros consecutivos. Este filme mostra a rotação controlada no sentido horário de um [Eu(pcam)3X2]+ complexo na superfície de Au(111) quando um campo elétrico negativo é aplicado a partir da ponta do STM.

Eric Masson, professor e Roenigk Chair of Chemistry na Ohio University e um dos co-investigadores do projeto projetou os complexos de terras raras, e seu grupo na Ohio University os sintetizou. Os cálculos da teoria funcional da densidade foram realizados por cientistas da Argonne e pelo grupo de Anh Ngo, professor associado de Engenharia Química da Universidade de Illinois em Chicago, usando o BEBOP de Argonne, o supercomputador mais poderoso dos Estados Unidos até hoje. Os cálculos revelam apenas uma quantidade insignificante de transferência de carga na interface molécula-substrato, o que significa que os complexos permaneceram carregados na superfície.

O estado químico do íon Eu nos complexos adsorvidos na superfície é determinado por um método experimental nascente conhecido como microscopia de tunelamento por varredura de raios-X síncrotron na Fonte Avançada de Fótons em Argonne por Hla e colaboradores, onde eles confirmam que as moléculas são carregados positivamente na superfície do ouro. As imagens STM mostram a estrutura como uma forma triangular distorcida com três braços. A incorporação do contraíon embaixo é comprovada por um filme STM adquirido com um número recorde de 8.000 quadros espectroscópicos. Em seguida, o grupo Hla usou a manipulação STM para demonstrar ainda mais a rotação de controle, que mostra as rotações no sentido horário e anti-horário à vontade.

“Essas descobertas podem ser úteis para o desenvolvimento de dispositivos nanomecânicos em que as unidades individuais do complexo são projetadas para controlar, promover ou restringir o movimento”, disse Hla. “Demonstramos a rotação de complexos de terras raras carregados em uma superfície de metal, o que agora permite investigações de um complexo por vez para suas propriedades eletrônicas e estruturais, bem como mecânicas.”

Referência: “Controle atomicamente preciso da dinâmica rotacional em complexos de terras raras carregados em uma superfície de metal” por Tolulope Michael Ajayi, Vijay Singh, Kyaw Zin Latt, Sanjoy Sarkar, Xinyue Cheng, Sineth Premarathna, Naveen K. Dandu, Shaoze Wang, Fahimeh Movahedifar, Sarah Wieghold, Nozomi Shirato, Volker Rose, Larry A. Curtiss, Anh T. Ngo, Eric Masson e Saw Wai Hla, 22 de outubro de 2022, Natureza Comunicações.
DOI: 10.1038/s41467-022-33897-3

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Ciência de Materiais e Divisão de Engenharia.





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