Gennembrud for at få adgang til den lille magnet i kernen af ​​et enkelt atom

Forskere ved Center for Quantum Nanoscience (QNS) inden for Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea har gjort et stort videnskabeligt gennembrud ved at opdage atommagnetismen, eller "atomspin" af et enkelt atom. I et internationalt samarbejde med IBM Research, University of Oxford og International Iberian Nanotechnology Laboratory, QNS -forskere brugte avancerede og nye teknikker til at måle nukleare spin af individuelle atomer på overflader for første gang.

Normalt nukleare spin, som beskriver magnetismen i atomets kerne, kan kun opdages i meget stort antal. Fundene, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , vise, at dette nu også er muligt for enkelte atomer på en overflade. Til dette brugte teamet et Scanning Tunneling Microscope hos IBM Research, som består af en atomisk skarp metalspids og gør det muligt for forskere at forestille sig og undersøge enkeltatomer.

De to elementer, der blev undersøgt i dette arbejde, jern og titanium, er atomer, der kan have et andet antal neutroner i atomets kerne, det er de såkaldte isotoper. Kun visse isotoper af hvert element har en kerne med et nuklear spin. Det er normalt ekstremt svært at måle nukleare spins af individuelle atomer. Traditionelt kræves et stort antal nukleare spins, gør dette fremskridt så bemærkelsesværdigt.

For at detektere tilstedeværelsen af ​​et nuklear spin i kernen af ​​et enkelt atom, holdet gjorde brug af den hyperfine interaktion. Dette fænomen beskriver koblingen mellem et enkelt atoms nukleare spin og dets elektronmodstykke, det er generelt meget lettere at få adgang til. Dr. Philip Willke fra Center for Quantum Nanoscience (QNS), første forfatter til undersøgelsen, siger:"Vi fandt ud af, at et atoms hyperfine interaktion ændrede sig, når vi flyttede det til en anden position på overfladen, eller hvis vi flyttede andre atomer ved siden af ​​det. I begge tilfælde, den elektroniske struktur af atomet ændrer sig, og kernespin giver os mulighed for at opdage det."

Forskerne planlægger at bruge denne følsomhed ved den hyperfine interaktion i det kemiske miljø som en kvantesensor. "Nuklear spins bruges allerede til biologisk billeddannelse i MR-maskiner på hospitaler." siger Dr. Yujeong Bae også fra QNS, en medforfatter i denne undersøgelse. "Tilsvarende i vores eksperiment giver atomspinnet os mulighed for at måle egenskaber ved den elektroniske struktur af atomer og molekyler, som ellers ville forblive skjulte. "

På længere sigt, forskere ved QNS ønsker at lagre information i atomets nukleare spin. Sidste år, det samme samarbejde med IBM lykkedes at lagre, læse og skrive lidt digital information ved hjælp af elektron -spin af kun et enkelt Holmium -atom. På samme måde, nukleare spins kunne tjene som bits på subatomær skala. Teamet planlægger også at bruge deres teknik til at teste veje til kvanteberegning. Mens den stadig var i tidlig udvikling, kvanteberegning lover at udkonkurrere langt de klassiske computere i opgaver som databaseadministration, Søg, og optimering. Nuclear spins er fremragende kandidater til disse kvantebits, da de er godt isoleret fra miljøet gennem atomskallen, et krav om kvanteinformationsenheder.

"Jeg er meget begejstret for disse resultater. Det er bestemt en milepæl inden for vores felt og har meget lovende implikationer for fremtidig forskning." siger prof. Andreas Heinrich, Direktør for QNS. "Ved at tage fat på individuelle nukleare spins kan vi få dybere viden om stofets struktur og åbne nye områder for grundforskning."