Onderzoekers van het IBS Center for Quantum Nanoscience aan de Ewha Womans University (QNS) hebben aangetoond dat dysprosiumatomen die op een dunne isolerende laag magnesiumoxide rusten, gedurende dagen magnetische stabiliteit hebben. In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie ze hebben bewezen dat deze kleine magneten extreem robuust zijn tegen fluctuaties in magnetisch veld en temperatuur en alleen zullen omslaan wanneer ze worden gebombardeerd met hoogenergetische elektronen van een scanning tunneling microscoop.

Met behulp van deze ultrastabiele en toch schakelbare magneten met één atoom, het team heeft controle op atomaire schaal van het magnetische veld aangetoond binnen kunstmatig gebouwde kwantumarchitecturen. "De afstembaarheid op atomaire schaal en precisie-engineering van magnetische velden die in dit werk worden getoond, voegt een nieuw paradigma toe voor kwantumlogica-apparaten en kwantumberekening, " zegt Dr. Aparajita Singha die het onderzoek uitvoerde als postdoc bij QNS en nu groepsleider is bij het Max Planck Institute for Solid State Research.

Hoewel magnetisme ontstaat op het niveau van enkele atomen, ook wel ongepaarde spins genoemd, kleine atomaire clusters zijn over het algemeen magnetisch erg onstabiel zonder zorgvuldige controle van hun omgeving. Het begrijpen van magnetische eigenschappen op zulke kleine schaal is een fundamenteel natuurkundig probleem, wat technisch erg belangrijk is geworden voor het maken van qubits - de bouwstenen voor kwantumberekening.

Magnetisme op zulke kleine schaal kan worden bestudeerd en gecontroleerd met behulp van kwantumtunneling door scherpe elektrodesondes in een scanning tunneling microscoop (STM). De vingerafdruk van deze atomaire spins kan worden gemeten met behulp van single-atom elektronenspinresonantie (ESR). Het onderzoeksteam van QNS combineerde het gebruik van deze krachtige technieken om de juiste voorwaarden te vinden voor het bereiken van de lang gezochte robuuste magneet met één atoom.

"Het maken van de kleinste ultrastabiele magneten was verre van een kleine inspanning. Het moest binnen de grenzen van meettechnieken werken en precies de juiste omstandigheden vinden. Op een dubbellaags MgO-substraat, het Dy-atoom is bijna geïsoleerd maar voelt nog steeds voldoende richtingsgevoeligheid om dagenlang een gedefinieerde polariteit te behouden, " volgens Dr. Singha.

Om afzonderlijke atomen te kunnen bevriezen en hun minuscule signalen te meten, het team creëerde een extreme fysieke omgeving, waaronder:(a) temperaturen die duizenden keren kleiner zijn dan kamertemperatuur, waarbij atomen stoppen met drijven op oppervlakken, (b) vacuüm sterker dan lege ruimte, zodat atomen niet verontreinigd raken door onzuiverheden die anders onze resultaten zouden vertekenen, en (c) ultraschone kristallijne oppervlakken met bijna niets anders dan de gewenste enkelvoudige atomen. Wat het gereedschap zelf betreft, ze pakten enkele Fe (ijzer) atomen één voor één op de STM-tip op totdat ze voldoende signaal-ruisverhouding in ESR bereikten, zelfs in afwezigheid van een extern magnetisch veld (in het algemeen 30-50 atomen). Omdat de elektronische toestanden van ultrastabiele Dy-atom-magneten (4f-orbitalen) te afgeschermd zijn voor STM-metingen, de onderzoekers maten de projectie van het magnetische veld op een gemakkelijker meetbare sensor Fe-atoom, geplaatst op gedefinieerde locaties op hetzelfde oppervlak. Met dezelfde STM-tip, ze plaatsten ook enkele Dy-atoommagneten op verschillende roosterlocaties van het kristallijne substraat rond het sensor Fe-atoom. Het opzettelijk omdraaien van de afzonderlijke Dy-atom-magneten veranderde het magnetische veld op de Fe-atom-locatie van de sensor met precieze discretie, die vervolgens werd gemeten als stabiel over dagen met behulp van ESR.

Schakelbare ultrastabiele magneten met één atoom die op atomair nauwkeurige locaties zijn geplaatst, bieden een gereedschapskist voor extreem lokale maar nauwkeurige controle van magnetische velden. Zodra de magnetische toestand is ingesteld, het wordt automatisch onderhouden zonder dat er grote en dure externe magneten nodig zijn. Dr. Singha concludeerde dat, "de afstembaarheid op atomaire schaal van magnetisch veld is een krachtig controlehulpmiddel voor toekomstige kwantumcircuits op het oppervlak."