Forskare vid Center for Quantum Nanoscience (QNS) inom Institute for Basic Science (IBS) vid Ewha Womans University har gjort ett stort vetenskapligt genombrott genom att utföra världens minsta magnetresonanstomografi (MRI). I ett internationellt samarbete med kollegor från USA, QNS-forskare använde sin nya teknik för att visualisera magnetfältet hos enskilda atomer.

MRI utförs rutinmässigt på sjukhus som en del av bildbehandling för diagnostik. MRI upptäcker spinnens densitet - de grundläggande magneterna i elektroner och protoner - i människokroppen. Traditionellt, miljarder snurr krävs för en MR -skanning. De nya fynden, publiceras idag i tidningen Naturfysik , visa att denna process nu också är möjlig för en enskild atom på en yta. Att göra detta, laget använde ett scanningstunnelmikroskop, som består av en atomiskt skarp metallspets som gör det möjligt för forskare att avbilda och sonda enstaka atomer genom att skanna spetsen över ytan.

De två element som undersöktes i detta arbete, järn och titan, är båda magnetiska. Genom noggrann förberedelse av provet, atomerna var lätt synliga i mikroskopet. Forskarna använde sedan mikroskopets spets som en MRI-maskin för att kartlägga det tredimensionella magnetfält som skapas av atomerna med oöverträffad upplösning. För att göra det, de fäste ytterligare ett spinnkluster på den vassa metallspetsen på deras mikroskop. Liknar vardagsmagneter, de två snurren skulle attrahera eller stöta bort varandra beroende på deras relativa positioner. Genom att svepa spetsspinklustret över atomen på ytan, forskarna kunde kartlägga den magnetiska interaktionen. Huvudförfattaren Dr Philip Willke från QNS säger, "Det visar sig att den magnetiska interaktionen vi mätte beror på egenskaperna hos båda snurren, den på spetsen och den på provet. Till exempel, signalen som vi ser för järnatomer skiljer sig mycket från den för titanatomer. Detta gör att vi kan skilja olika typer av atomer genom sin magnetfältssignatur, och gör vår teknik väldigt kraftfull. "

Forskarna planerar att använda sin single-atom MR för att kartlägga spinnfördelningen i mer komplexa strukturer som molekyler och magnetiska material. "Många magnetiska fenomen äger rum på nanoskala, inklusive den senaste generationen av magnetiska lagringsenheter, " säger Dr. Yujeong Bae också från QNS, en medförfattare i denna studie. "Vi planerar nu att studera en mängd olika system med hjälp av vår mikroskopiska MRI." Förmågan att analysera den magnetiska strukturen på nanoskalan kan hjälpa forskare att utveckla nya material och läkemedel. Dessutom, forskargruppen vill använda denna typ av MR för att karakterisera och kontrollera kvantsystem. Dessa är av stort intresse för framtida beräkningsscheman, även känd som quantum computing.

"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. "Förmågan att kartlägga spinn och deras magnetfält med tidigare ofattbar precision gör att vi kan få djupare kunskap om materiens struktur och öppnar nya fält av grundforskning."