В гармонии с сердцем атома меди

Наша команда в IBM Research разработала новую технику управления магнетизмом отдельного атома меди, технологию, которая однажды позволит отдельным атомным ядрам хранить и обрабатывать информацию.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology , наша команда продемонстрировала, что мы можем управлять магнетизмом ядра отдельного атома, выполняя ядерный магнитный резонанс (ЯМР) по одному атому за раз. ЯМР - это процесс, лежащий в основе магнитно-резонансной томографии или МРТ, метода, который неинвазивно позволяет выявлять замысловатые подробные изображения тела. ЯМР также является важным инструментом для определения структуры молекул.

Это первый раз, когда ЯМР был достигнут с использованием сканирующего туннельного микроскопа (STM), изобретения IBM, получившего Нобелевскую премию, которое позволяет рассматривать и перемещать атомы по отдельности, что является важным прорывом, поскольку STM может отображать и позиционировать каждый атом, чтобы изучить, как ЯМР изменяется и реагирует на местную среду. Сканируя сверхострый наконечник металлической иглы СТМ по поверхности, СТМ может определять форму отдельных атомов и может тянуть или переносить атомы в желаемое расположение.

Проведение ЯМР для одного атома требует двух основных шагов. Во-первых, мы поляризовали (сориентировали в четко определенном направлении) магнитное направление ядра. Затем мы манипулировали магнетизмом ядра, применяя радиоволны, исходящие от кончика острой металлической иглы. Радиоволны точно настроены на собственную частоту ядра.

Атом меди с магнитным сердцем

Медь в изобилии и широко используется в нашей повседневной жизни, от электропроводки в домах до подключения отдельных цепей в микрочипах. Полезность металлической меди объясняется ее выдающейся способностью проводить электричество. Магнитные свойства меди гораздо менее известны - мы никогда не видим кусок меди, притянутый магнитом. Но магнетизм меди оживает, когда отдельные атомы меди не окружены другими атомами меди.

Художник взгляд на ядерный магнетизм одиночного атома меди. Конусы представляют собой разные ориентации северного магнитного полюса ядра (слева) и электрона (справа) внутри атома меди. Ядро и электрон магнитно связаны (красная пружина). Электрический ток от наконечника СТМ (показан справа) управляет магнетизмом атома.

Когда вы сокращаете технологию до самой фундаментальной крайности - атомного масштаба - отдельный атом меди может стать магнитным, в зависимости от того, как он взаимодействует с соседними атомами, удерживающими медь. В нашем эксперименте мы сделали атом меди магнитным, прикрепив его к тщательно выбранной поверхности, состоящей из оксида магния. Этот магнетизм исходит от электронов в атоме меди. Эти электроны циркулируют вокруг ядра - «сердца» атома, которое, что примечательно, также является магнитным. Когда мы складываем два магнита на холодильник, они либо притягиваются, либо отталкиваются. Аналогичная физика сохраняется для электронного магнита и ядерного магнита, и магнитная сила между ними стремится выровнять их, поэтому они указывают в одном направлении. Технический термин для этой магнитной силы внутри атома - сверхтонкое взаимодействие.

Как использовать магнетизм ядра

Слабый магнитный сигнал ядра затрудняет обнаружение и контроль. Ядерный магнит настолько мал, что его ориентация случайным образом колеблется из-за тепла, даже когда он охлаждается до чрезвычайно низкой температуры, как в наших экспериментах. Это затрудняет управление магнитным направлением ядра, называемым его «спином», чтобы использовать его для обработки информации и восприятия других магнитов. При МРТ очень сильное магнитное поле используется для выравнивания ядер в атомах вашего тела в одном направлении. Но тепло нарушает это выравнивание, поэтому ядра указывают почти в случайных направлениях, с лишь небольшой тенденцией следовать за полем. В результате для получения измеримого сигнала в МРТ требуется множество триллионов атомов. Чтобы управлять ядром отдельного атома, оно должно быть выровнено гораздо более предсказуемо, а это серьезная проблема. Затем каждый атом необходимо воспринимать индивидуально, чтобы обнаружить сигнал ЯМР.

Чтобы преодолеть эти проблемы, мы используем электрон, вращающийся вокруг ядра, как посланник, а также как менеджер. Электрон внутри атома меди «разговаривает» с ядром посредством сверхтонкого взаимодействия, чтобы подтолкнуть ядро ​​к желаемому направлению, а затем ощущает результирующее направление. Обнаруживая и контролируя электрон меди с помощью электрического тока, мы обнаруживаем и контролируем ядерный магнетизм одиночного атома меди.

Наш атом меди прикреплен к тщательно выбранной поверхности, оксиду магния, что позволяет нам исследовать магнетизм меди. Чтобы решить проблему ядерного магнетизма одиночного атома меди, наша команда разработала специальный магнитный наконечник для микроскопа, поместив одиночный атом железа на его крайнюю вершину, что позволяет манипулировать и обнаруживать очень слабый магнетизм одиночного атомного ядра.

Одноатомный ЯМР с инициализацией по току

Просто используя электрический ток, мы можем перенести магнитную ориентацию острия СТМ на магнитную ориентацию ядра атома меди - ядра. Это похоже на метод передачи крутящего момента с передачей вращения, метод, используемый для записи информации в магнитные биты в компьютерной памяти следующего поколения, известной как MRAM. На анимации выше показано, как магнетизм передается ядру. После того, как ядро ​​настроено на желаемую ориентацию, нам нужно прочитать еле ощутимый сигнал ядерной ориентации. Для этого мы используем спин электрона, находящийся на том же атоме, что и передатчик, основываясь на предыдущей статье, опубликованной в прошлом месяце. Мы используем технику под названием «Электронный спиновой резонанс (ЭПР)», применяемую к отдельным атомам, - возможность, разработанная в лаборатории IBM Research - Almaden три года назад.

Художник вид одиночных атомов меди (красных шариков), прикрепленных к поверхности оксида магния. Острый наконечник (пирамида из серых шаров) СТМ исследует одиночный атом меди, пропуская через него электрический ток.

Наша команда сделала второй большой шаг в этой работе, продемонстрировав ЯМР одиночного атома с помощью радиоволны, передаваемой на атом через наконечник микроскопа. Методы ЯМР широко используются для изучения структуры молекул и визуализации внутренних структур человеческого тела. Поскольку ядро ​​меди является магнитным, магнитное поле вызывает силу, заставляющую его обрабатывать, подобно волчку, отслеживающему конусообразные поверхности, когда они прецессируют в гравитационном поле Земли. Крошечные «вращающиеся» ядра меди могут ориентироваться только четырьмя различными способами по отношению к магнитному полю в соответствии с законами квантовой механики. Вот почему вы видите четыре конуса, связанных с ядром на рисунке и в анимации. Настраивая частоту радиоволны, излучаемой острым концом СТМ, на характерную частоту прецессии «ядерной антенны», мы можем резонансно изменять ориентацию ядерного спина.

Мы объединим эту новую способность управлять вращением ядра со способностью СТМ упорядочивать атомы для создания и исследования электронных и магнитных устройств, работающих в атомном масштабе, с целью использования ядерных спинов для обработки квантовой информации.

Электрически контролируемая ядерная поляризация отдельных атомов Кай Ян, Филип Вилке, Юджон Бэ, Алехандро Феррон, Хосе Л. Ладо, Аржанг Ардаван, Хоакин Фернандес-Россье, Андреас Дж. Генрих, Кристофер П. Лутц, Nature Nanotechnology . DOI:10.1038 / s41565-018-0296-7 (2018)