Vårt team på IBM Research utvecklade en ny teknik för att kontrollera magnetismen hos en enskild kopparatom, en teknik som en dag skulle kunna tillåta enskilda atomkärnor att lagra och bearbeta information.

I en tidning som publicerades i dag i tidskriften Naturens nanoteknik , vårt team visade att vi kan kontrollera magnetismen i en enskild atoms kärna genom att utföra kärnmagnetisk resonans (NMR) en atom i taget. NMR är processen som ligger till grund för magnetisk resonanstomografi, eller MRI, tekniken som icke-invasivt avslöjar intrikat detaljerade bilder av kroppen. NMR är också ett kritiskt verktyg som används för att bestämma strukturer hos molekyler.

Detta är första gången NMR har uppnåtts med hjälp av ett Scanning Tunneling Microscope (STM), den nobelprisbelönta IBM-uppfinningen som gör att atomer kan ses och flyttas individuellt, ett viktigt genombrott eftersom STM kan avbilda och positionera varje atom för att studera hur NMR förändras och reagerar på den lokala miljön. Genom att skanna den ultraskarpa spetsen på STM:s metallnål över ytan, STM kan känna av formen av enskilda atomer och kan dra eller bära atomer i önskade arrangemang.

Att utföra NMR på en enda atom kräver två huvudsteg. Först, vi polariserade (orienterade i en väldefinierad riktning) kärnans magnetiska riktning. Sedan, vi manipulerade kärnans magnetism genom att applicera radiovågor som emanerade från spetsen på en vass metallnål. Radiovågorna är inställda exakt till kärnans naturliga frekvens.

Kopparatomen med ett magnetiskt hjärta

Koppar är rikligt och används ofta i vårt dagliga liv, från elektriska ledningar i hus till att koppla upp enskilda kretsar i mikrochips. Användbarheten av metallkoppar härrör från dess enastående förmåga att leda elektricitet. De magnetiska egenskaperna hos koppar är mycket mindre kända – vi ser aldrig en kopparbit attraherad av en magnet. Men koppars magnetism kommer till liv när enskilda kopparatomer inte omges av andra kopparatomer.

När du krymper ner tekniken till den mest grundläggande ytterligheten – atomskalan – kan en enskild kopparatom bli magnetisk, beroende på hur det interagerar med de närliggande atomerna som håller kopparn. I vårt experiment, vi gjorde kopparatomen magnetisk genom att fästa den på en noggrant utvald yta bestående av magnesiumoxid. Denna magnetism kommer från elektronerna i kopparatomen. Dessa elektroner cirkulerar runt kärnan – atomens "hjärta" – som, anmärkningsvärt, är också magnetisk. När vi sätter ihop två kylskåpsmagneter, de antingen attraherar eller stöter bort. Liknande fysik gäller för elektronmagneten och kärnmagneten, och den magnetiska kraften mellan dem tenderar att rikta in dem, så de pekar åt samma håll. Den tekniska termen för denna magnetiska kraft inom atomen är hyperfin interaktion.

Hur man utnyttjar kärnans magnetism

Den svaga magnetiska signalen från kärnan gör det utmanande att upptäcka och kontrollera. Kärnmagneten är så liten att dess orientering fluktuerar slumpmässigt på grund av värme, även när den kyls till extremt låg temperatur som i våra experiment. Detta gör det svårt att kontrollera kärnans magnetiska riktning, kallade dess "snurr, " för att använda den för att bearbeta information och känna av andra magneter. Vid MRI-avbildning, ett mycket stort magnetfält används för att rikta in kärnorna i kroppens atomer så att de pekar i en riktning. Men värme stör denna inriktning så att kärnorna pekar nästan i slumpmässiga riktningar, med endast en liten tendens att följa fältet. Som ett resultat, många biljoner atomer krävs i MRT för att producera en mätbar signal. För att kontrollera en enda atoms kärna, det måste anpassas mycket mer förutsägbart, en stor utmaning. Sedan måste varje atom avkännas individuellt för att detektera en NMR-signal.

För att övervinna dessa utmaningar, vi använder elektronen som kretsar kring kärnan som en budbärare såväl som en förvaltare. Elektronen inuti kopparatomen "pratar" med kärnan genom den hyperfina interaktionen, för att knuffa kärnan att peka i önskad riktning, och känner sedan av den resulterande riktningen. Genom att detektera och kontrollera kopparelektronen med hjälp av elektrisk ström, vi upptäcker och kontrollerar kärnmagnetismen hos en enskild kopparatom.

Vår kopparatom är fäst på en noggrant vald yta, magnesiumoxid, som tillåter oss att undersöka kopparns magnetism. För att ta itu med kärnmagnetismen hos en enskild kopparatom, vårt team utvecklade en specialiserad magnetisk spets för mikroskopet genom att placera en enda järnatom vid dess yttersta spets, vilket gör det möjligt att manipulera och detektera den mycket svaga magnetismen hos en enda atomkärna.

Enatoms NMR med strömstyrd initiering

Genom att helt enkelt använda en elektrisk ström, vi kan överföra den magnetiska orienteringen av spetsen av STM till den magnetiska orienteringen av kärnan i en kopparatom - kärnan. Detta liknar spin-transfer vridmomenttekniken, metoden som används för att skriva information till magnetiska bitar i nästa generations datorminne som kallas MRAM. Animationen ovan illustrerar hur magnetismen överförs till kärnan. Efter att kärnan är inställd på en önskad orientering, vi måste läsa ut den knappt påtagliga signalen om kärnvapenorientering. Att göra detta, vi använder elektronspinnet som finns på samma atom som en sändare, bygger på en tidigare tidning som publicerades förra månaden. Vi använder en teknik som kallas "Electron Spin Resonance (ESR)" applicerad på enskilda atomer, en förmåga som utvecklades i IBM Research – Almadens labb för tre år sedan.

Vårt team har tagit ett andra stort steg i detta arbete genom att demonstrera NMR för en enda atom, genom att använda en radiovåg som överförs till atomen genom mikroskopets spets. NMR-tekniker används i stor utsträckning för att studera strukturen hos molekyler och för att avbilda inre strukturer i människokroppen. Eftersom kopparkärnan är magnetisk, ett magnetfält utövar en kraft som får det att bearbeta, liknar en snurra som spårar ut konformade ytor medan de precesserar i jordens gravitationsfält. De små "snurrande" kopparkärnorna kan orientera sig på endast fyra olika sätt med avseende på magnetfältet, enligt kvantmekanikens lagar. Det är därför du ser fyra koner associerade med kärnan i figuren och animationen. Genom att ställa in frekvensen för radiovågen som sänds ut från den skarpa spetsen av STM, till den karakteristiska precessionsfrekvensen för "kärnantennen, "Vi kan resonansrotera orienteringen av kärnspinnet.

Vi kommer att kombinera denna nya förmåga att kontrollera kärnans spinn med STM:s förmåga att arrangera atomer för att konstruera och undersöka elektroniska och magnetiska enheter som arbetar i atomskala, som syftar till att använda kärnspinn för att bearbeta kvantinformation.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av IBM Research. Läs originalberättelsen här.