IBM-doeltreffer: De magnetisme van een enkele koperatoom sturen via NMR

IBM Research heeft een techniek ontwikkeld die de magnetisme van een enkele koperatoom precies kan sturen, wat de basis legt voor atomaire dataopslag en kwantumberekening.

In een recente publicatie in Nature Nanotechnology toonden we aan dat kernspinresonantie (NMR) kan worden toegepast op een enkele koperkern, een methode die ten grondslag ligt aan magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en de structurele analyse van moleculen.

Dit is de eerste keer dat single-atom NMR is bereikt met een scanning tunneling microscope (STM), IBM's Nobelprijs-winnende uitvinding die atomen individueel kan visualiseren en positioneren. Door de ultrascherpe punt van de STM-naald over een oppervlak te scannen, kan het instrument de vorm van individuele atomen detecteren en ze zelfs herpositioneren om te bestuderen hoe NMR-signalen variëren met hun locale omgeving.

Het uitvoeren van NMR op een enkel atom vereist twee cruciale stappen: eerst polariseren we de magnetische oriëntatie van de kern; daarna manipuleren we die oriëntatie door radiofrequente pulsen rechtstreeks vanaf de STM-punt af te geven, afgestemd op de natuurlijke resonantiefrequentie van de kern.

De koperatoom met een magnetisch hart

Kover is alomtegenwoordig – van elektrische bedrading tot microchipschakelingen – dankzij zijn uitstekende geleiding. Hoewel bulk koper diamagnetisch is en niet door magneten wordt aangetrokken, kan een geïsoleerde koperatoom magnetisme vertonen wanneer hij niet omringd is door andere koperatomen.

Een artistieke weergave van de kernmagnetisme van een enkele koperatoom. Kegels vertegenwoordigen verschillende oriëntaties van de magnetische noordpool van de kern (links) en van het elektron (rechts). De rode veer illustreert hun magnetische koppeling. Een STM-puntstroom stuurt de magnetisme van het atoom.

Op atomaire schaal wordt een enkele koperatoom magnetisch omdat zijn ongepaarde elektronen de kern – zijn "hart" – omcirkelen en een magnetisch veld genereren. Wanneer we het koperatoom bonden aan een zorgvuldig gekozen magnesiumoxide-oppervlak, zorgde de resulterende hyperfine interactie tussen het elektron en de kern ervoor dat hun magnetische momenten uitgelijnd werden, wat een detecteerbaar magnetisch signaal creëerde.

Kernmagnetisme benutten

Het kernmagnetische moment is extreem zwak, zodat zijn oriëntatie fluctueert door thermische beweging zelfs bij cryogene temperaturen. In MRI richt een groot extern veld miljarden kernen uit, maar thermische ruis beperkt nog steeds de signaalsterkte. Om een enkele kern te sturen, gebruiken we het omringende elektron als bemiddelaar: de hyperfine koppeling duwt de kern in een gewenste oriëntatie, en we lezen de resulterende staat via hetzelfde elektron uit.

Onze STM-punt is speciaal ontworpen met een enkel ijzeratoom aan de top, wat de precieze afgifte van radiofrequente energie en de detectie van het zwakke kernsignaal mogelijk maakt.

Single-atom NMR via stroomgecontroleerde initialisatie

Door een elektrische stroom door de STM-punt te laten lopen, dragen we de magnetische oriëntatie van de punt over op de koperkern – een benadering die analoog is aan spin-transfer torque die gebruikt wordt in MRAM-geheugentechnologie. Eenmaal de kern geïnitialiseerd is, lezen we zijn staat uit door elektronenspinresonantie (ESR) op hetzelfde atoom te benutten, een techniek die we in een 2023-studie verfijnden.

Een artistieke weergave van enkele koperatomen (rood) op een magnesiumoxide-oppervlak. De STM-punt (grijs piramide) onderzoekt een koperatoom door elektrische stroom te geleiden.

We gingen nog een stap verder door aan te tonen dat een radiogolf afgestuurd vanaf de STM-punt NMR kan induceren in een enkele koperkern. De kern, magnetisch zijnde, precesteert in het externe veld als een draaiende top, en haar vier mogelijke oriëntaties corresponderen met distincte kwantumtoestanden. Door de radiofrequentie af te stemmen op de resonantiefrequentie van de kern, kunnen we zijn spin met hoge precisie roteren.

Deze mogelijkheid – het combineren van atomaire positionering, single-atom NMR en elektrische controle – opent een pad naar het bouwen van nanoscopische magnetische en elektronische apparaten die kernspins benutten voor kwantuminformatieverwerking.

Referentie

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)