I harmoni med hjertet af et kobberatom

Vores team hos IBM Research udviklede en ny teknik til at kontrollere magnetismen i et enkelt kobberatom, en teknologi, der en dag kunne tillade individuelle atomkerner at lagre og behandle information.

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , vores hold demonstrerede, at vi kan kontrollere magnetismen i et enkelt atoms kerne ved at udføre Nuclear Magnetic Resonance (NMR) et atom ad gangen. NMR er den proces, der ligger til grund for magnetisk resonansbilleddannelse, eller MR, teknikken, der non-invasivt afslører indviklet detaljerede billeder af kroppen. NMR er også et kritisk værktøj, der bruges til at bestemme strukturerne af molekyler.

Dette er første gang NMR er blevet opnået ved hjælp af et Scanning Tunneling Microscope (STM), den nobelprisvindende IBM-opfindelse, der gør det muligt at se og flytte atomer individuelt, et vigtigt gennembrud, fordi STM kan afbilde og positionere hvert atom for at studere, hvordan NMR ændrer sig og reagerer på det lokale miljø. Ved at scanne den ultraskarpe spids af STM's metalnål hen over overfladen, STM kan fornemme formen af ​​enkelte atomer og kan trække eller bære atomer i ønskede arrangementer.

Udførelse af NMR på et enkelt atom kræver to store trin. Først, vi polariserede (orienteret i en veldefineret retning) den magnetiske retning af kernen. Derefter, vi manipulerede kernens magnetisme ved at påføre radiobølger fra spidsen af ​​en skarp metalnål. Radiobølgerne er indstillet præcist til kernens naturlige frekvens.

Kobberatomet med et magnetisk hjerte

Kobber er rigeligt og meget brugt i vores hverdag, fra elektriske ledninger i huse til at tilslutte individuelle kredsløb i mikrochips. Nytten af ​​metalkobber stammer fra dets enestående evne til at lede elektricitet. Kobbers magnetiske egenskaber er meget mindre kendte – vi ser aldrig et stykke kobber tiltrukket af en magnet. Men kobbers magnetisme kommer til live, når individuelle kobberatomer ikke er omgivet af andre kobberatomer.

Når man skrumper teknologien ned til den mest fundamentale yderlighed – atomskalaen – kan et enkelt kobberatom blive magnetisk, afhængigt af, hvordan det interagerer med de naboatomer, der holder kobberet. I vores eksperiment, vi gjorde kobberatomet magnetisk ved at fastgøre det til en nøje udvalgt overflade bestående af magnesiumoxid. Denne magnetisme kommer fra elektronerne i kobberatomet. Disse elektroner cirkulerer rundt om kernen – atomets "hjerte" – som, bemærkelsesværdigt, er også magnetisk. Når vi sætter to køleskabsmagneter sammen, de enten tiltrækker eller frastøder. Lignende fysik gælder for elektronmagneten og kernemagneten, og den magnetiske kraft mellem dem har en tendens til at justere dem, så de peger i samme retning. Den tekniske betegnelse for denne magnetiske kraft i atomet er hyperfin interaktion.

Hvordan man udnytter kernens magnetisme

Det svage magnetiske signal fra kernen gør det udfordrende at opdage og kontrollere. Kernemagneten er så lille, at dens orientering svinger tilfældigt på grund af varme, selv når den er afkølet til ekstremt lav temperatur som i vores eksperimenter. Dette gør det vanskeligt at kontrollere den magnetiske retning af kernen, kaldte dens "spin, " for at bruge det til at behandle information og fornemme andre magneter. I MRI-billeddannelse, et meget stort magnetfelt bruges til at justere kernerne i din krops atomer, så de peger i én retning. Men varme forstyrrer denne justering, så kernerne peger næsten i tilfældige retninger, med kun en lille tendens til at følge feltet. Som resultat, der kræves mange billioner af atomer i MR for at producere et målbart signal. At kontrollere et enkelt atoms kerne, det skal tilpasses meget mere forudsigeligt, en stor udfordring. Derefter skal hvert atom detekteres individuelt for at detektere et NMR-signal.

For at overkomme disse udfordringer, vi bruger elektronen, der kredser om kernen, som en budbringer såvel som en manager. Elektronen inde i kobberatomet "taler" med kernen gennem den hyperfine interaktion, for at skubbe kernen til at pege i den ønskede retning, og fornemmer derefter den resulterende retning. Ved at detektere og kontrollere kobberelektronen ved hjælp af elektrisk strøm, vi detekterer og kontrollerer kernemagnetismen i et enkelt kobberatom.

Vores kobberatom er knyttet til en nøje udvalgt overflade, magnesiumoxid, der giver os mulighed for at undersøge kobberets magnetisme. For at adressere kernemagnetismen af ​​et enkelt kobberatom, vores team udviklede en specialiseret magnetisk spids til mikroskopet ved at placere et enkelt jernatom i dets yderste spids, som gør det muligt at manipulere og detektere den meget svage magnetisme af en enkelt atomkerne.

Enkeltatom NMR med strømstyret initialisering

Ved blot at bruge en elektrisk strøm, vi er i stand til at overføre den magnetiske orientering af spidsen af ​​STM til den magnetiske orientering af kernen af ​​et kobberatom - kernen. Dette svarer til spin-overførselsmomentteknikken, metoden, der bruges til at skrive information til magnetiske bits i næste generations computerhukommelse kendt som MRAM. Animationen ovenfor illustrerer, hvordan magnetismen overføres til kernen. Efter at kernen er indstillet til en ønsket orientering, vi er nødt til at læse det knap så håndgribelige signal om nuklear orientering. At gøre dette, vi anvender elektronspin, der ligger på det samme atom som en transmitter, bygger på et tidligere papir udgivet i sidste måned. Vi bruger en teknik kaldet "Electron Spin Resonance (ESR)" anvendt på individuelle atomer, en kapacitet udviklet i IBM Research – Almaden lab for tre år siden.

Vores team har taget et andet stort skridt i dette arbejde ved at demonstrere NMR af et enkelt atom, ved at bruge en radiobølge transmitteret til atomet gennem mikroskopets spids. NMR-teknikker bruges i vid udstrækning til at studere strukturen af ​​molekyler og til at afbilde interne strukturer i den menneskelige krop. Da kobberkernen er magnetisk, et magnetfelt udøver en kraft, der får det til at behandle, ligner en snurretop, der sporer kegleformede overflader ud, mens de præcesserer i jordens tyngdefelt. De små "snurrende" kobberkerner kan kun orientere sig på fire forskellige måder i forhold til magnetfeltet, efter kvantemekanikkens love. Det er derfor, du ser fire kegler forbundet med kernen i figuren og animationen. Ved at indstille frekvensen af ​​radiobølgen, der udsendes fra den skarpe spids af STM, til den karakteristiske præcessionsfrekvens for den "nukleare antenne, "Vi er i stand til resonant at rotere orienteringen af ​​det nukleare spin.

Vi vil kombinere denne nye evne til at kontrollere kernens spin med STM's evne til at arrangere atomer til at konstruere og sondere elektroniske og magnetiske enheder, der fungerer på atomskalaen, sigter mod at bruge nukleare spins til at behandle kvanteinformation.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra IBM Research. Læs den originale historie her.