Прорыв IBM: управление магнетизмом отдельного атома меди с помощью ЯМР

Исследователи IBM разработали методику точного управления магнетизмом одиночного атома меди, заложив фундамент для атомарного хранения данных и квантовых вычислений.

ЯМР на уровне одного атома

В недавней публикации в журнале Nature Nanotechnology продемонстрировано, что ядерный магнитный резонанс (ЯМР) можно применить к одному ядру меди. Этот метод лежит в основе магнитно-резонансной томографии (МРТ) и структурного анализа молекул.

Это первый случай реализации ЯМР на одиночном атоме с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) — нобелевского изобретения IBM, позволяющего визуализировать и позиционировать отдельные атомы. Сканируя поверхность ультраострым наконечником металлической иглы СТМ, прибор фиксирует форму одиночных атомов и даже перемещает их для изучения изменений ЯМР-сигналов в зависимости от локального окружения.

Два ключевых этапа

Выполнение ЯМР на одном атоме требует двух этапов: сначала поляризуется магнитная ориентация ядра, затем она манипулируется путем подачи радиочастотных импульсов непосредственно от наконечника СТМ, настроенных на естественную резонансную частоту ядра.

Магнитное «сердце» атома меди

Медь повсеместно используется — от электропроводки до микросхем — благодаря исключительной проводимости. В объемном виде медь диамагнитна и не притягивается к магнитам, но изолированный атом меди может проявлять магнетизм, когда не окружен другими атомами меди.

На атомном уровне одинокий атом меди становится магнитным, так как его непарные электроны вращаются вокруг ядра — своего «сердца» — и создают магнитное поле. При связывании атома меди с тщательно подобранной поверхностью оксида магния возникающее гипертонкое взаимодействие между электроном и ядром выравнивает их магнитные моменты, создавая детектируемый магнитный сигнал.

Управление ядерным магнетизмом

Ядерный магнитный момент крайне слаб, поэтому его ориентация флуктуирует под действием теплового движения даже при криогенных температурах. В МРТ большое внешнее поле выравнивает миллиарды ядер, но тепловой шум всё равно ограничивает силу сигнала. Для управления одним ядром используется окружающий электрон как посредник: его гипертонкая связь подталкивает ядро к желаемой ориентации, а затем состояние считывается через тот же электрон.

Наконечник СТМ специально спроектирован с одним атомом железа на вершине, что обеспечивает точную доставку радиочастотной энергии и детектирование слабого ядерного сигнала.

Инициализация ЯМР управляемым током

Пропуская электрический ток через наконечник СТМ, передается магнитная ориентация наконечника ядру меди — подход, аналогичный спиновому крутящему моменту, используемому в технологиях MRAM. После инициализации ядра его состояние считывается с помощью электронного спинового резонанса (ЭПР) на том же атоме, методику которого команда усовершенствовала в исследовании 2023 года.

Работу продвинуто дальше: продемонстрировано, что радиоволна, излучаемая наконечником СТМ, может индуцировать ЯМР в одиночном ядре меди. Ядро, будучи магнитным, прецессирует во внешнем поле как волчок, а его четыре возможные ориентации соответствуют различным квантовым состояниям. Настройка радиочастоты на резонансную частоту ядра позволяет вращать его спин с высокой точностью.

Эта способность — сочетание атомарного позиционирования, ЯМР на одиночном атоме и электрического управления — открывает путь к созданию наномасштабных магнитных и электронных устройств, использующих ядерные спины для квантовой обработки информации.

Ссылка

Electrically controlled nuclear polarization of individual atoms, Kai Yang, Philip Willke, Yujeong Bae, Alejandro Ferrón, Jose L. Lado, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández‑Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)