Onderzoekers van het Center for Quantum Nanoscience (QNS) binnen het Institute for Basic Science (IBS) van de Ewha Womans University hebben een grote wetenschappelijke doorbraak bereikt door 's werelds kleinste magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) uit te voeren. In een internationale samenwerking met collega's uit de V.S. Wetenschappers van QNS gebruikten hun nieuwe techniek om het magnetische veld van afzonderlijke atomen te visualiseren.

MRI's worden routinematig uitgevoerd in ziekenhuizen als onderdeel van beeldvorming voor diagnostiek. MRI's detecteren de dichtheid van spins - de fundamentele magneten in elektronen en protonen - in het menselijk lichaam. traditioneel, miljarden spins zijn nodig voor een MRI-scan. De nieuwe bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , laten zien dat dit proces nu ook mogelijk is voor een individueel atoom op een oppervlak. Om dit te doen, het team gebruikte een scanning tunneling microscoop, die bestaat uit een atomair scherpe metalen punt waarmee onderzoekers afzonderlijke atomen kunnen afbeelden en onderzoeken door de punt over het oppervlak te scannen.

De twee elementen die in dit werk zijn onderzocht, ijzer en titanium, zijn beide magnetisch. Door een nauwkeurige voorbereiding van het monster, de atomen waren goed zichtbaar in de microscoop. De onderzoekers gebruikten vervolgens de punt van de microscoop als een MRI-machine om het driedimensionale magnetische veld dat door de atomen wordt gecreëerd in kaart te brengen met een ongekende resolutie. Om dat te kunnen doen, ze bevestigden nog een spincluster aan de scherpe metalen punt van hun microscoop. Net als bij alledaagse magneten, de twee spins zouden elkaar aantrekken of afstoten, afhankelijk van hun relatieve posities. Door de tip-spincluster over het atoom op het oppervlak te vegen, de onderzoekers konden de magnetische interactie in kaart brengen. Hoofdauteur Dr. Philip Willke van QNS zegt:"Het blijkt dat de magnetische interactie die we hebben gemeten afhangt van de eigenschappen van beide spins, die op de punt en die op het monster. Bijvoorbeeld, het signaal dat we zien voor ijzeratomen verschilt enorm van dat voor titaniumatomen. Dit stelt ons in staat om verschillende soorten atomen te onderscheiden door hun magnetische veldsignatuur, en maakt onze techniek zeer krachtig."

De onderzoekers zijn van plan om hun single-atom MRI te gebruiken om de spinverdeling in meer complexe structuren zoals moleculen en magnetische materialen in kaart te brengen. "Veel magnetische verschijnselen vinden plaats op nanoschaal, waaronder de recente generatie magnetische opslagapparaten, " zegt Dr. Yujeong Bae ook van QNS, een co-auteur in deze studie. "We zijn nu van plan om verschillende systemen te bestuderen met behulp van onze microscopische MRI." Het vermogen om de magnetische structuur op nanoschaal te analyseren, kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van nieuwe materialen en medicijnen. Bovendien, het onderzoeksteam wil dit soort MRI gebruiken om kwantumsystemen te karakteriseren en te controleren. Deze zijn van groot belang voor toekomstige rekenschema's, ook wel kwantumcomputer genoemd.

"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 QNS. "Het vermogen om spins en hun magnetische velden met voorheen onvoorstelbare precisie in kaart te brengen, stelt ons in staat om diepere kennis op te doen over de structuur van materie en opent nieuwe gebieden van fundamenteel onderzoek."