Обнаружение магнетизма ядра одиночного атома

Наша команда из IBM Research - Almaden в Кремниевой долине обнаружила магнетизм ядра отдельного атома, что открывает двери для использования ядра как способа ощущать и контролировать магнетизм в атомном масштабе. Этот прорыв, недавно опубликованный в журнале Science , была достигнута путем измерения магнитного воздействия ядра на электроны в том же атоме. Исследование раскрывает информацию об изотопе - количестве нейтронов в ядре атома - и о том, как намагниченность атома зависит от его соседних атомов, предоставляя новый мощный инструмент для зондирования в наномасштабе и представляя собой важный шаг к использованию ядра для будущей спинтроники. .

Рис. 1 :Набросок эксперимента. Каждый красный шар представляет собой магнитный атом, связанный с поверхностью. У некоторых естественно есть ядерный спин, небольшой магнит в их ядре. Острый наконечник СТМ исследует одиночный магнитный атом. Изображение предоставлено QNS.

Работая с международной командой сотрудников, включая Центр квантовой нанонауки (QNS), Оксфордский университет и Международную иберийскую лабораторию нанотехнологий, мы измерили атомы железа и титана, прикрепленные к тщательно подготовленной поверхности. Мы использовали сканирующий туннельный микроскоп (STM), изобретение IBM, получившее Нобелевскую премию, в котором острие острой металлической иглы используется для сканирования поверхности с целью получения изображения и перемещения отдельных атомов с большой точностью.

Три года назад наша группа показала, что мы можем обнаруживать магнетизм электронов отдельного атома и использовать его чувствительность к магнитным полям как способ обнаружения и измерения свойств близлежащих магнитных атомов на поверхности. Теперь мы расширили это, чтобы обнаружить гораздо более тонкий магнетизм ядра.

Рисунок 2. :Изображение поверхности оксида магния, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, на небольших выступах - отдельные атомы железа. Изображение предоставлено QNS.

Взаимодействие между ядром атома и его электронами, называемое сверхтонким взаимодействием, позволяет обнаружить магнетизм ядра. Сверхтонкое взаимодействие внутри каждого атома изменилось, когда мы переместили атом в другое положение или если мы переместили к нему другой атом. Мы использовали СТМ для изменения положения отдельных атомов и показали, что сверхтонкое взаимодействие сильно зависит от химической связи с другими атомами. Например, атом титана, связанный с четырьмя соседними атомами, дает гораздо более сильное сверхтонкое взаимодействие, чем тот же атом титана, расположенный на одном атоме кислорода. Кроме того, мы обнаружили, что сила сверхтонкого взаимодействия зависит от присутствия соседних магнитных атомов, поэтому оно показывает, как магнетизм двух атомов сочетается в соответствии с правилами квантовой механики.

Рисунок 3. :Два атома железа, изображенные на нижних изображениях в виде голубых холмов, имеют разные изотопы. Правый атом - это изотоп железа-57, который имеет ядерный спин. В результате в его энергетическом спектре наблюдаются два пика, соответствующие двум возможным ориентациям спина ядра. Изображение предоставлено QNS.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и количество протонов определяет, каким элементом является атом. Магнетизм ядра происходит от свойства, называемого «спином», потому что оно ведет себя как вращающийся шар электрического заряда. Только у некоторых изотопов есть ядро ​​со спином, и этот спин создает небольшое магнитное поле, точно так же, как у Земли есть магнитное поле из-за электрического заряда, который циркулирует глубоко в ее ядре. Магнитное поле от ядерного спина настолько ничтожно, что его трудно обнаружить, за исключением случаев, когда одновременно измеряются многие миллионы. Это основа для медицинского аппарата для получения изображений МРТ, который измеряет многие триллионы ядерных вращений для каждой точки полученных изображений.

Рисунок 4. :Энергетические спектры, измеренные на отдельных атомах титана. Два изотопа имеют высокий ядерный спин и, таким образом, демонстрируют несколько пиков, по одному пику для каждой ориентации ядра. Изображение предоставлено QNS.

Чтобы определить вращение сингла В ядре мы используем окружающие ядро ​​электроны - вместе ядро ​​и электроны образуют атом. У этих электронов тоже есть спин. Для электронов спин приводит к магнитному полю, которое примерно в тысячу раз больше, чем у ядра. Это значительно упрощает обнаружение электронов, но по-прежнему чрезвычайно сложно распознавать отдельные атомы за раз.

Мы используем продвинутую форму сканирующей туннельной микроскопии, которая работает в ультрахолодных, чистых, безвибрационных условиях, чтобы гарантировать, что атомы остаются на месте, а чувствительные измерения не пострадают от тепла, мусора или шума.

Наша команда обнаруживает спин отдельного атома с помощью сверхчувствительного метода, называемого спиновым резонансом, в котором мы используем кончик СТМ, чтобы найти и выбрать отдельный атом для исследования. Затем мы используем электронный спиновой резонанс (ESR), который определяет, насколько быстро вращается северный полюс электрона. Это вращение называется прецессией, и северный полюс движется так же, как ось волчка, установленного на столе, который медленно вращается, указывая в разных направлениях. Для электрона прецессия происходит миллиарды раз в секунду, и частота прецессии называется резонансной частотой. Эта частота изменяется в ответ на незначительные изменения магнитного поля, испытываемого атомом. Выполнение ЭПР с помощью сканирующего туннельного микроскопа позволяет нам измерять спин, видя положение атома и тех, с которыми он связан, а также более далекие атомы, которые тонко на него влияют, открывая бесценную информацию о магнитном взаимодействии в одиночном атоме. шкала, необходимая для создания современных электронных устройств, состоящих из нескольких атомов.

Рисунок 5. :Одиночный атом титана перемещается в три разных положения на поверхности. Это изменяет спектр, потому что взаимодействие с ядерным спином чувствительно к химии сайта связывания. Изображение предоставлено QNS.

Используя спиновой резонанс, отдельный атом служит чувствительным датчиком магнитного поля прямо в месте расположения атома. Наша команда ранее использовала это для обнаружения магнитного поля соседних атомов, размещенных на поверхности. В этих исследованиях мы использовали атомы железа и титана, каждый из которых обладает уникальными свойствами. Мы даже обнаружили, что отдельные атомы элемента гольмия действуют как крошечные постоянные магниты, поэтому они могут хранить информацию. Все эти достижения привели к нашему последнему прорыву, в котором мы обнаружили магнетизм ядра и информацию, которую оно раскрывает.

Бумага:сверхтонкое взаимодействие отдельных атомов на поверхности