Onderzoekers van het Center for Quantum Nanoscience (QNS) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Zuid-Korea hebben een grote wetenschappelijke doorbraak bereikt door het detecteren van het kernmagnetisme, of "kernspin" van een enkel atoom. In een internationale samenwerking met IBM Research, de Universiteit van Oxford en het International Iberian Nanotechnology Laboratory, Wetenschappers van QNS gebruikten voor het eerst geavanceerde en nieuwe technieken om de kernspin van individuele atomen op oppervlakken te meten.

Normaal gesproken is de kernspin, die het magnetisme van de kern van het atoom beschrijft, kan alleen in zeer grote aantallen worden gedetecteerd. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , laten zien dat dit nu ook mogelijk is voor losse atomen op een oppervlak. Om dat te doen gebruikte het team een ​​Scanning Tunneling Microscope bij IBM Research, die bestaat uit een atomair scherpe metalen punt en waarmee onderzoekers afzonderlijke atomen kunnen afbeelden en onderzoeken.

De twee elementen die in dit werk zijn onderzocht, ijzer en titanium, zijn atomen die een verschillend aantal neutronen in de kern van het atoom kunnen hebben, dit zijn de zogenaamde isotopen. Alleen bepaalde isotopen van elk element hebben een kern met een kernspin. Het is normaal gesproken buitengewoon moeilijk om kernspins van individuele atomen te meten. Traditioneel zijn grote aantallen kernspins nodig, waardoor deze vooruitgang zo opmerkelijk is.

Om de aanwezigheid van een kernspin in de kern van een enkel atoom te detecteren, het team maakte gebruik van de hyperfijninteractie. Dit fenomeen beschrijft de koppeling tussen de kernspin van een enkel atoom en zijn elektronentegenhanger, dat is over het algemeen veel gemakkelijker toegankelijk. Dr. Philip Willke van het Center for Quantum Nanoscience (QNS), eerste auteur van de studie, zegt:"We ontdekten dat de hyperfijne interactie van een atoom veranderde wanneer we het naar een andere positie op het oppervlak verplaatsten of als we andere atomen ernaast verplaatsten. In beide gevallen, de elektronische structuur van het atoom verandert en de kernspin stelt ons in staat om dat te detecteren."

De onderzoekers zijn van plan deze gevoeligheid van de hyperfijn-interactie in de chemische omgeving te gebruiken als een kwantumsensor. "Nucleaire spins worden al gebruikt voor biologische beeldvorming in MRI-machines in ziekenhuizen." zegt Dr. Yujeong Bae ook van QNS, een co-auteur in deze studie. "Evenzo, in ons experiment stelt de kernspin ons in staat om eigenschappen van de elektronische structuur van atomen en moleculen te meten die anders verborgen zouden blijven."

Op langere termijn, onderzoekers van QNS willen informatie opslaan in de kernspin van het atoom. Vorig jaar, dezelfde samenwerking met IBM erin geslaagd op te slaan, lezen en schrijven van een beetje digitale informatie met behulp van de elektronenspin van slechts een enkel Holmium-atoom. Op dezelfde manier, nucleaire spins zouden kunnen dienen als bits op subatomaire schaal. Het team is ook van plan om hun techniek te gebruiken om paden voor kwantumberekening te testen. Hoewel nog in de vroege ontwikkeling, kwantumberekening belooft veel beter te presteren dan klassieke computers in taken zoals databasebeheer, zoeken, en optimalisatie. Kernspins zijn uitstekende kandidaten voor deze kwantumbits, omdat ze goed geïsoleerd zijn van de omgeving door de atomaire schaal, een vereiste voor kwantuminformatie-apparaten.

"Ik ben erg enthousiast over deze resultaten. Het is zeker een mijlpaal in ons vakgebied en heeft veelbelovende implicaties voor toekomstig onderzoek." zegt prof. Andreas Heinrich, Directeur van de KNS. "Door individuele kernspins aan te pakken, kunnen we diepere kennis opdoen over de structuur van materie en nieuwe gebieden van fundamenteel onderzoek openen."