Forskere identificerer ultrastabil enkeltatommagnet

Forskere ved IBS Center for Quantum Nanoscience ved Ewha Womans University (QNS) har vist, at dysprosium-atomer, der hviler på et tyndt isolerende lag af magnesiumoxid, har magnetisk stabilitet over dage. I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation de har bevist, at disse små magneter har ekstrem robusthed over for udsving i magnetfelt og temperatur og vil kun vende, når de bliver bombarderet med højenergielektroner fra et scanningstunnelmikroskop.

Ved at bruge disse ultrastabile og alligevel omskiftelige enkeltatommagneter, holdet har vist atom-skala kontrol af magnetfeltet inden for kunstigt byggede kvantearkitekturer. "Den atomare skala afstembarhed og præcisionsteknik af magnetiske felter vist i dette arbejde tilføjer et nyt paradigme for kvantelogiske enheder og kvanteberegning, " siger Dr. Aparajita Singha, som udførte forskningen som post doc på QNS og nu er gruppeleder ved Max Planck Institute for Solid State Research.

Selvom magnetisme opstår på niveau med enkelte atomer, også kaldet uparrede spins, små atomklynger er generelt magnetisk meget ustabile uden omhyggelig kontrol med deres omgivelser. At forstå magnetiske egenskaber i så små skalaer er et grundlæggende fysikproblem, hvilket er blevet teknisk meget vigtigt for at skabe qubits - byggestenene til kvanteberegning.

Magnetisme i så små skalaer kan studeres og kontrolleres ved hjælp af kvantetunneling gennem skarpe elektrodeprober i et scanning tunneling mikroskop (STM). Fingeraftrykket af disse atomare spins kan måles ved hjælp af enkelt-atom elektronspinresonans (ESR). Forskerholdet på QNS kombinerede brugen af ​​disse kraftfulde teknikker for at finde de rette betingelser for at opnå den længe søgte robuste enkeltatommagnet.

"At skabe de mindste ultrastabile magneter var langt fra en lille indsats. Det var nødvendigt at arbejde ved grænserne for måleteknikker og finde de helt rigtige forhold. På et dobbeltlags MgO-substrat, Dy-atomet er næsten isoleret, men føles stadig nok retningsbestemt til at opretholde en defineret polaritet over dage, " ifølge Dr. Singha.

At være i stand til at fryse enkelte atomer og måle deres minimale signaler, holdet skabte et ekstremt fysisk miljø, herunder:(a) temperaturer 1000 sek. gange mindre end stuetemperatur, hvor atomer holder op med at drive på overflader, (b) vakuum stærkere end tomt rum, så atomer ikke bliver forurenet af urenheder, som ellers ville påvirke vores resultater, og (c) ultrarene krystallinske overflader med næsten intet ovenpå andet end de ønskede enkelte atomer. Hvad angår selve værktøjet, de opsamlede enkelte Fe (jern) atomer en efter en på STM-spidsen, indtil de opnåede nok signal-til-støj-forhold i ESR, selv i fravær af eksternt magnetfelt (generelt 30-50 atomer). Da de elektroniske tilstande af ultrastabile Dy-atom-magneter (4f-orbitaler) er for afskærmede til STM-målinger, forskerne målte dets magnetfeltprojektion på en lettere målelig sensor Fe-atom, placeres på definerede steder på samme overflade. Ved at bruge den samme STM-tip, de arrangerede også enkelte Dy-atom-magneter på forskellige gitterplaceringer af det krystallinske substrat omkring sensorens Fe-atom. Bevidst vending af de individuelle Dy-atom-magneter ændrede magnetfeltet ved sensorens Fe-atom-placering med præcis diskrethed, som derefter blev målt til at være stabil over dage ved hjælp af ESR.

Omskiftelige ultrastabile enkeltatommagneter placeret på atomisk præcise steder giver en værktøjskasse til ekstremt lokal, men præcis kontrol af magnetiske felter. Når den magnetiske tilstand er indstillet, den vedligeholdes automatisk uden behov for store og dyre eksterne magneter. Dr. Singha konkluderede, at "det magnetiske felts afstemningsevne i atomskala er et kraftfuldt kontrolværktøj til fremtidige overfladebaserede kvantekredsløb."