Forskare arbetar hårt för att konstruera egenskaperna hos nanostrukturer, som atomer och molekyler, för att förverkliga effektiva logiska enheter som kan fungera i materiens grundläggande skala – atomernas skala. För att göra "ingenjörskonst" möjlig i den skalan, forskare måste kunna titta på en atoms inre struktur, den så kallade orbitalstrukturen, där elektroner är instängda i en serie skal.

I en studie publicerad denna vecka i ACS Nano , forskningen ledd av QNS uppnådde ett aldrig tidigare skådat resultat:att identifiera hur elektroner är fördelade mellan atomers och nanostrukturers orbitaler. Använda förstklassiga röntgengeneratorer, kallade synkrotroner, ligger i Spanien, Schweiz, och Korea, teamet identifierade en metod för att särskilja egenskaperna hos deras elektroner beroende på deras orbital.

"Vi var inte säkra på att vi faktiskt kunde ha tillräckligt med känslighet för att undersöka alla dessa atomära orbitaler individuellt i så små strukturer", säger prof. Fabio Donati, primärutredaren från QNS. "Detta resultat visade ett nytt sätt att avslöja beteendet hos dessa atomer och möjligen vägleda konstruktionen av deras egenskaper för att realisera framtida enheter i atomskala".

För denna studie, forskarna fokuserade på lantanidelement - den extra raden längst ner i det periodiska systemet. Dessa element undersöks för närvarande som potentiella magneter i atomskala för att förverkliga klassiska eller kvantbitar för framtida logik- och minneslagringsenheter. Att kunna använda dem för detta ändamål skulle kunna göra det möjligt för tekniken att fungera i minsta möjliga skala, erbjuder enorm potential när det gäller miniatyrisering.

En unik egenskap hos dessa grundämnen är att deras viktigaste elektroner, nämligen de som tillhandahåller den stora delen av atomens magnetisering, är lokaliserade i specifika orbitaler (kallade 4f) som är gömda djupt inne i atomerna. Därför, det är svårt att använda en elektrisk ström för att känna av dem, vilket skulle kunna skapa utmaningar för deras integration i elektroniska enheter.

Forskare försöker fastställa om elektroner från mer externa, och elektriskt tillgänglig, orbitaler kan användas som en avläsningskanal istället för de mer dolda elektronerna. "Vi behövde hitta en teknik som kunde mäta elektronerna i dessa atomer, bokstavligen orbital för orbital, för att ta reda på hur de samarbetar och bidrar till atomens magnetiska egenskaper", säger Dr Aparajita Singha som startade forskningen som post doc vid QNS och nu leder en grupp vid Max Planck Institute for Solid State Research.

Experimentet utfördes med mycket låga temperaturer (-270 C) för att hålla lantanidatomerna "frusna" på deras bärande substrat, som är en film av magnesiumoxid. Det var nödvändigt att använda mycket höga magnetfält—100, 000 gånger starkare än jordens magnetfält — för att magnetisera lantanidatomerna och mäta egenskaperna hos deras elektroner. Forskarna använde röntgenstrålen för att träffa elektroner mycket nära kärnan och excitera dem till målorbitaler som de ville känna av. "Även om detta tillvägagångssätt var känt för att fungera för kristaller som består av en stor samling atomer, huruvida enskilda orbitaler kunde mätas i isolerade atomer var en stor öppen fråga", konstaterade Donati. "Du kan föreställa dig hur spännande det var att se de första data som dyker upp på skärmen under mätningarna. Först då insåg vi att det inte fanns någon teori redo att förklara våra resultat. Det var fortfarande mycket arbete att göra."

Jämfört med datainsamlingsfasen, som bara krävde några veckors mätningar, analysen och utvecklingen av en tolkningsmodell höll forskarna sysselsatta i flera månader. Genom att använda denna kombination av experimentslutteori, forskarna kunde identifiera hur elektronerna var fördelade mellan atomorbitaler. "Vi tror att när vi känner till strukturen hos dessa atomer, orbital för orbital, kommer att ge nya anvisningar för att konstruera egenskaperna hos framtida enheter, som kvantdatorer och ultratäta magnetiska hårddiskar", avslutade Donati.