Ons team bij IBM Research heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om het magnetisme van een enkel koperatoom te beheersen, een technologie die op een dag individuele atoomkernen in staat zou kunnen stellen om informatie op te slaan en te verwerken.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur Nanotechnologie , ons team heeft aangetoond dat we het magnetisme van een enkele atoomkern kunnen beheersen door nucleaire magnetische resonantie (NMR) één atoom tegelijk uit te voeren. NMR is het proces dat ten grondslag ligt aan magnetische resonantiebeeldvorming, of MRI, de techniek die op een niet-invasieve manier ingewikkelde gedetailleerde beelden van het lichaam onthult. NMR is ook een kritisch hulpmiddel dat wordt gebruikt om de structuren van moleculen te bepalen.

Dit is de eerste keer dat NMR is bereikt met behulp van een Scanning Tunneling Microscope (STM), de Nobelprijswinnende IBM-uitvinding waarmee atomen afzonderlijk kunnen worden bekeken en verplaatst, een belangrijke doorbraak omdat de STM elk atoom kan afbeelden en positioneren om te bestuderen hoe de NMR verandert en reageert op de lokale omgeving. Door de ultrascherpe punt van de metalen naald van de STM over het oppervlak te scannen, de STM kan de vorm van afzonderlijke atomen waarnemen en kan atomen in gewenste rangschikkingen trekken of dragen.

Het uitvoeren van NMR op een enkel atoom vereist twee belangrijke stappen. Eerst, we hebben de magnetische richting van de kern gepolariseerd (in een goed gedefinieerde richting georiënteerd). Vervolgens, we hebben het magnetisme van de kern gemanipuleerd door radiogolven toe te passen die afkomstig zijn van de punt van een scherpe metalen naald. De radiogolven zijn precies afgestemd op de natuurlijke frequentie van de kern.

Het koperatoom met een magnetisch hart

Koper is overvloedig en wordt veel gebruikt in ons dagelijks leven, van elektrische bedrading in huizen tot het aansluiten van individuele circuits in microchips. Het nut van metaalkoper komt voort uit zijn uitstekende vermogen om elektriciteit te geleiden. De magnetische eigenschappen van koper zijn veel minder bekend - we zien nooit een stuk koper aangetrokken door een magneet. Maar het magnetisme van koper komt tot leven wanneer individuele koperatomen niet worden omringd door andere koperatomen.

Als je technologie terugbrengt tot het meest fundamentele uiterste – de atomaire schaal – kan een enkel koperatoom magnetisch worden, afhankelijk van hoe het interageert met de naburige atomen die het koper bevatten. In ons experiment, we hebben het koperatoom magnetisch gemaakt door het te bevestigen aan een zorgvuldig gekozen oppervlak dat bestaat uit magnesiumoxide. Dit magnetisme komt van de elektronen in het koperatoom. Deze elektronen circuleren rond de kern - het "hart" van het atoom - dat, opmerkelijk, is ook magnetisch. Als we twee koelkastmagneten bij elkaar zetten, ze trekken aan of stoten af. Soortgelijke fysica geldt voor de elektronenmagneet en de kernmagneet, en de magnetische kracht ertussen heeft de neiging om ze op één lijn te brengen, dus ze wijzen in dezelfde richting. De technische term voor deze magnetische kracht in het atoom is hyperfijninteractie.

Hoe het magnetisme van de kern te benutten?

Het zwakke magnetische signaal van de kern maakt het een uitdaging om te detecteren en te controleren. De kernmagneet is zo klein dat zijn oriëntatie willekeurig fluctueert als gevolg van warmte, zelfs wanneer afgekoeld tot extreem lage temperatuur zoals in onze experimenten. Dit maakt het moeilijk om de magnetische richting van de kern te controleren, noemde zijn "spin, " om het te gebruiken om informatie te verwerken en andere magneten te voelen. Bij MRI-beeldvorming, een zeer groot magnetisch veld wordt gebruikt om de kernen in de atomen van je lichaam uit te lijnen om in één richting te wijzen. Maar hitte verstoort deze uitlijning, zodat de kernen bijna in willekeurige richtingen wijzen, met slechts een lichte neiging om het veld te volgen. Als resultaat, in MRI zijn vele biljoenen atomen nodig om een ​​meetbaar signaal te produceren. Om de kern van een enkel atoom te besturen, het moet veel voorspelbaarder worden uitgelijnd, een grote uitdaging. Vervolgens moet elk atoom afzonderlijk worden gedetecteerd om een ​​NMR-signaal te detecteren.

Om deze uitdagingen te overwinnen, we gebruiken het elektron dat in een baan om de kern draait, zowel als boodschapper als als manager. Het elektron in het koperatoom "praat" met de kern door de hyperfijn-interactie, om de kern te duwen om in de gewenste richting te wijzen, en voelt vervolgens de resulterende richting. Door het koperelektron te detecteren en te regelen met behulp van elektrische stroom, we detecteren en controleren het kernmagnetisme van een enkel koperatoom.

Ons koperatoom is bevestigd aan een zorgvuldig gekozen oppervlak, magnesium oxide, waarmee we het magnetisme van het koper kunnen onderzoeken. Om het kernmagnetisme van een enkel koperatoom aan te pakken, ons team ontwikkelde een gespecialiseerde magnetische punt voor de microscoop door een enkel ijzeratoom aan de uiterste top te plaatsen, die het mogelijk maakt om het zeer zwakke magnetisme van een enkele atoomkern te manipuleren en te detecteren.

NMR met één atoom met stroomgestuurde initialisatie

Door simpelweg een elektrische stroom te gebruiken, we zijn in staat om de magnetische oriëntatie van de punt van de STM over te brengen naar de magnetische oriëntatie van de kern van een koperatoom - de kern. Dit is vergelijkbaar met de spin-overdracht koppeltechniek, de methode die wordt gebruikt om informatie te schrijven naar magnetische bits in het computergeheugen van de volgende generatie dat bekend staat als MRAM. De animatie hierboven illustreert hoe het magnetisme wordt overgebracht naar de kern. Nadat de kern is ingesteld op een gewenste oriëntatie, we moeten het nauwelijks tastbare signaal van nucleaire oriëntatie uitlezen. Om dit te doen, we gebruiken de elektronenspin die zich op hetzelfde atoom bevindt als een zender, voortbouwend op een eerdere paper die vorige maand werd gepubliceerd. We gebruiken een techniek genaamd "Electron Spin Resonance (ESR)" toegepast op individuele atomen, een mogelijkheid die drie jaar geleden in het laboratorium IBM Research – Almaden is ontwikkeld.

Ons team heeft een tweede grote stap gezet in dit werk door NMR van een enkel atoom aan te tonen, door een radiogolf te gebruiken die via de punt van de microscoop naar het atoom wordt gestuurd. NMR-technieken worden veel gebruikt om de structuur van moleculen te bestuderen en om interne structuren in het menselijk lichaam in beeld te brengen. Omdat de kern van koper magnetisch is, een magnetisch veld oefent een kracht uit waardoor het wordt verwerkt, vergelijkbaar met een tol die kegelvormige oppervlakken traceert terwijl ze in het zwaartekrachtveld van de aarde voortbewegen. De kleine "draaiende" koperkernen kunnen zich op slechts vier verschillende manieren oriënteren ten opzichte van het magnetische veld, volgens de wetten van de kwantummechanica. Daarom zie je in de figuur en animatie vier kegels die bij de kern horen. Door de frequentie af te stemmen van de radiogolf die wordt uitgezonden door de scherpe punt van STM, aan de karakteristieke precessiefrequentie van de "nucleaire antenne, " we zijn in staat om de oriëntatie van de kernspin resonant te roteren.

We zullen dit nieuwe vermogen om de spin van de kern te controleren combineren met het vermogen van de STM om atomen te rangschikken om elektronische en magnetische apparaten te bouwen en te onderzoeken die op atomaire schaal werken, gericht op het gebruik van kernspins om kwantuminformatie te verwerken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan IBM Research. Lees hier het originele verhaal.