Измерение магнитной сигнатуры ядра одиночного атома

Исследовательский центр IBM в Альмадене (Кремниевой долине) впервые измерил магнитное поле, генерируемое ядром отдельного атома. Открытие, опубликованное в журнале Science, демонстрирует, что тонкое магнитное влияние ядра можно детектировать через его воздействие на окружающие электроны. Метод дает изотопную информацию — именно число нейтронов — и показывает, как намагниченность атома меняется в зависимости от его локального атомного окружения. Результат открывает новую границу для наномасштабного 센сирования и является ключевым шагом к спиновым устройствам на ядерной основе.

В сотрудничестве с Центром квантовой нанонауки (QNS), Оксфордским университетом и Международной иберийской нанотехнологической лабораторией были размещены изолированные атомы железа и титана на тщательно подготовленном субстрате. Измерения выполнялись с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) — нобелевского инструмента IBM — который использует нанометровый металлический наконечник для визуализации и манипулирования отдельными атомами с атомной точностью.

В 2021 году команда продемонстрировала способность детектировать электронный магнетизм атома и использовать его как наномасштабный магнитный зонд. Развивая эту работу, исследователи теперь достигли ядерного уровня чувствительности, обнаружив гораздо более слабую магнитную сигнатуру ядра атома.

Гипертонкое взаимодействие — связь между ядерным спином и электронными состояниями — служит каналом для детектирования ядерного магнетизма. Наблюдалось, что перемещение одиночного атома или приближение второго атома меняет гипертонкое расщепление. Используя СТМ для репозиционирования отдельных атомов, продемонстрировано, что это взаимодействие высоко чувствительно к химической связывающей среде. Например, атом титана, связанный с четырьмя соседями, показывал заметно более сильный гипертонкий сигнал, чем изолированный над одним атомом кислорода. Данные также показали, что соседние магнитные атомы модулируют взаимодействие, иллюстрируя, как комбинированный магнетизм следует квантово-механическим правилам.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов; число протонов определяет элемент, а расположение нейтронов порождает разные изотопы. Ядерный магнетизм происходит от спина — квантового свойства, ведущего себя как крошечный вращающийся заряженный шар. Только избранные изотопы обладают ядерным спином, создавая ничтожно малое магнитное поле, сравнимое с полем ядра Земли. Детектирование этого поля исключительно сложно: обычная МРТ опирается на коллективный сигнал триллионов ядер.

Для зондирования одиночного ядра используется магнитное поле окружающих электронов. Хотя электронные спины создают поле примерно в тысячу раз сильнее ядерного, их измерение на уровне одиночного атома остается сложной задачей. Подход сочетает ультранизкие температуры, виброизоляцию и криогенический вакуум для иммобилизации атомов и безшумных измерений.

Применяется спин-разрешенный электронный спиновой резонанс (ЭПР) с наконечником СТМ в роли зонда и антенны. Настройка микроволновой частоты на частоту прецессии электрона — миллиарды циклов в секунду — позволяет детектировать сдвиги резонансной частоты, отражающие тонкие изменения локального магнитного поля. Метод дает возможность разрешить спиновое состояние одиночного атома, одновременно визуализируя его положение и окружающую решетку, обеспечивая беспрецедентный взгляд на магнитные взаимодействия на атомном масштабе.

Ранее эта техника использовалась для картирования магнитных полей соседних атомов железа и титана на поверхности. Также открыто, что изолированные атомы гольмия действуют как стабильные наномасштабные магнитные памяти. Эти фундаментальные исследования culminировали в текущем прорыве: успешном измерении магнетизма отдельного ядра и извлечении его изотопной информации.

Статья: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface