Forskare vid Center for Quantum Nanoscience (QNS) inom Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea har gjort ett stort vetenskapligt genombrott genom att upptäcka kärnmagnetismen, eller "kärnsnurr" av en enda atom. I ett internationellt samarbete med IBM Research, University of Oxford och International Iberian Nanotechnology Laboratory, QNS -forskare använde avancerade och nya tekniker för att mäta kärnspinnet för enskilda atomer på ytor för första gången.

Normalt kärnvridningen, som beskriver magnetismen i atomkärnan, kan bara upptäckas i mycket stora antal. Resultaten, publiceras idag i tidningen Vetenskap , visa att detta nu också är möjligt för enstaka atomer på en yta. För att göra det använde teamet ett Scanning Tunneling Microscope på IBM Research, som består av en atomiskt vass metallspets och gör det möjligt för forskare att avbilda och sonda enstaka atomer.

De två elementen som undersöktes i detta arbete, järn och titan, är atomer som kan ha ett annat antal neutroner i atomkärnan, dessa är de så kallade isotoperna. Endast vissa isotoper av varje element har en kärna med en kärnsnurr. Det är normalt mycket svårt att mäta nukleära snurr av enskilda atomer. Traditionellt krävs ett stort antal nukleära snurr, vilket gör detta framsteg så anmärkningsvärt.

För att detektera närvaron av en kärnsnurr i kärnan i en enda atom, laget använde sig av den hyperfina interaktionen. Detta fenomen beskriver kopplingen mellan en enda atoms nukleära spinn och dess elektronmotstycke, som i allmänhet är mycket lättare att komma åt. Dr Philip Willke från Center for Quantum Nanoscience (QNS), första författaren till studien, säger:"Vi fann att en atoms hyperfin interaktion förändrades när vi flyttade den till en annan position på ytan eller om vi flyttade andra atomer bredvid den. I båda fallen, atomens elektroniska struktur förändras och kärnvridningen gör att vi kan upptäcka det. "

Forskarna planerar att använda denna känslighet för den hyperfina interaktionen inom den kemiska miljön som en kvantsensor. "Nuclear spins används redan för biologisk avbildning i MR -maskiner på sjukhus." säger Dr Yujeong Bae också från QNS, en medförfattare i denna studie. "Liknande, i vårt experiment låter kärnspinnet oss mäta egenskaper hos den elektroniska strukturen hos atomer och molekyler som annars skulle förbli dolda. "

På längre sikt, forskare vid QNS vill lagra information i atomens kärnsnurr. Förra året, samma samarbete med IBM lyckades lagra, läsa och skriva lite digital information med hjälp av elektronspinnet av endast en enda Holmium -atom. På samma sätt, nukleära snurr kan fungera som bitar i subatomär skala. Teamet planerar också att använda sin teknik för att testa vägar för kvantberäkning. Medan den fortfarande är i tidig utveckling, kvantberäkning lovar att mycket bättre än klassiska datorer i uppgifter som databashantering, Sök, och optimering. Nuclear spins är utmärkta kandidater för dessa kvantbitar, eftersom de är välisolerade från miljön genom atomskalet, ett krav på kvantinformationsanordningar.

"Jag är mycket upphetsad över dessa resultat. Det är verkligen en milstolpe inom vårt område och har mycket lovande konsekvenser för framtida forskning." säger prof. Andreas Heinrich, Direktör för QNS. "Genom att ta itu med enskilda nukleära snurr kan vi få djupare kunskap om materiens struktur och öppna nya områden för grundforskning."