Forskare vid IBS Center for Quantum Nanoscience vid Ewha Womans University (QNS) har visat att dysprosiumatomer som vilar på ett tunt isolerande lager av magnesiumoxid har magnetisk stabilitet över dagar. I en studie publicerad i Naturkommunikation de har bevisat att dessa små magneter har extrem robusthet mot fluktuationer i magnetfält och temperatur och kommer att vända endast när de bombarderas med högenergielektroner från ett scanning tunnelmikroskop.

Genom att använda dessa ultrastabila och ändå omkopplingsbara enatomsmagneter, teamet har visat kontroll i atomär skala av magnetfältet inom artificiellt byggda kvantarkitekturer. "Inställningsförmågan i atomskala och precisionstekniken av magnetiska fält som visas i detta arbete lägger till ett nytt paradigm för kvantlogikenheter och kvantberäkning, " säger Dr. Aparajita Singha som genomförde forskningen som post doc vid QNS och nu är gruppledare vid Max Planck Institute for Solid State Research.

Även om magnetism uppstår på nivån av enskilda atomer, även kallade oparade snurr, små atomkluster är i allmänhet magnetiskt mycket instabila utan noggrann kontroll av sin omgivning. Att förstå magnetiska egenskaper i så liten skala är ett grundläggande fysikproblem, vilket har blivit tekniskt mycket viktigt för att skapa qubits - byggstenarna för kvantberäkning.

Magnetism i så liten skala kan studeras och kontrolleras med hjälp av kvanttunneling genom vassa elektrodsonder i ett scanning tunneling microscope (STM). Fingeravtrycket för dessa atomspinn kan mätas med enatoms elektronspinresonans (ESR). Forskargruppen vid QNS kombinerade användningen av dessa kraftfulla tekniker för att hitta de rätta förutsättningarna för att uppnå den länge eftertraktade robusta enatomsmagneten.

"Att skapa de minsta ultrastabila magneterna var långt ifrån en liten ansträngning. Det behövde arbeta vid gränserna för mätteknik och hitta precis de rätta förhållandena. På ett dubbelskiktigt MgO-substrat, Dy-atomen är nästan isolerad men känns fortfarande tillräckligt riktad för att bibehålla en definierad polaritet över dagar, " enligt Dr. Singha.

För att kunna frysa enstaka atomer och mäta deras minimala signaler, laget skapade en extrem fysisk miljö, inklusive:(a) temperaturer 1000 gånger lägre än rumstemperatur, där atomer slutar driva på ytor, (b) vakuum starkare än tomt utrymme, så att atomer inte blir förorenade av föroreningar som annars skulle påverka våra resultat, och (c) ultrarena kristallina ytor med nästan ingenting ovanpå annat än de önskade enskilda atomerna. När det gäller själva verktyget, de plockade upp enstaka Fe (järn)-atomer en efter en på STM-spetsen tills de uppnådde tillräckligt signal-brusförhållande i ESR, även i frånvaro av något externt magnetfält (i allmänhet 30-50 atomer). Eftersom de elektroniska tillstånden hos en ultrastabila Dy-atom-magneter (4f-orbitaler) är för skärmade för STM-mätningar, forskarna mätte dess magnetfältsprojektion på en lättare mätbar sensor Fe-atom, placeras på definierade platser på samma yta. Med samma STM-tips, de arrangerade också enstaka Dy-atommagneter vid olika gitterplatser av det kristallina substratet runt sensorns Fe-atom. Avsiktlig vändning av de individuella Dy-atom-magneterna ändrade magnetfältet vid sensorns Fe-atom-plats med exakt diskrethet, som sedan mättes vara stabil över dagar med hjälp av ESR.

Omkopplingsbara ultrastabila enatomsmagneter placerade på atomärt exakta platser ger en verktygslåda för extremt lokal men exakt kontroll av magnetfält. När det magnetiska tillståndet är inställt, den underhålls automatiskt utan behov av stora och dyra externa magneter. Dr. Singha drog slutsatsen att, "det magnetiska fältets avstämbarhet i atomskala är ett kraftfullt kontrollverktyg för framtida ytbaserade kvantkretsar."