In harmonie met het hart van een koperatoom

Ons team bij IBM Research heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om het magnetisme van een enkel koperatoom te beheersen, een technologie die op een dag individuele atoomkernen in staat zou kunnen stellen informatie op te slaan en te verwerken.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology , toonde ons team aan dat we het magnetisme van de kern van een enkel atoom kunnen beheersen door nucleaire magnetische resonantie (NMR) één atoom tegelijk uit te voeren. NMR is het proces dat ten grondslag ligt aan magnetische resonantie beeldvorming, of MRI, de techniek die op niet-invasieve wijze ingewikkelde gedetailleerde beelden van het lichaam onthult. NMR is ook een cruciaal hulpmiddel om de structuren van moleculen te bepalen.

Dit is de eerste keer dat NMR is bereikt met behulp van een Scanning Tunneling Microscope (STM), de Nobelprijswinnende IBM-uitvinding waarmee atomen afzonderlijk kunnen worden bekeken en verplaatst, een belangrijke doorbraak omdat de STM elk atoom kan afbeelden en positioneren om te bestuderen hoe de NMR verandert en reageert op de lokale omgeving. Door de ultrascherpe punt van de metalen naald van de STM over het oppervlak te scannen, kan de STM de vorm van afzonderlijke atomen waarnemen en atomen in de gewenste rangschikking trekken of dragen.

Het uitvoeren van NMR op een enkel atoom vereist twee belangrijke stappen. Eerst hebben we de magnetische richting van de kern gepolariseerd (in een goed gedefinieerde richting georiënteerd). Vervolgens hebben we het magnetisme van de kern gemanipuleerd door radiogolven toe te passen die afkomstig zijn van de punt van een scherpe metalen naald. De radiogolven zijn precies afgestemd op de natuurlijke frequentie van de kern.

Het koperatoom met een magnetisch hart

Koper is overvloedig aanwezig en wordt veel gebruikt in ons dagelijks leven, van elektrische bedrading in huizen tot het aansluiten van individuele circuits in microchips. Het nut van metaalkoper komt voort uit zijn uitstekende vermogen om elektriciteit te geleiden. De magnetische eigenschappen van koper zijn veel minder bekend - we zien nooit een stuk koper aangetrokken door een magneet. Maar het magnetisme van koper komt tot leven wanneer individuele koperatomen niet worden omringd door andere koperatomen.

Een kunstenaar weergave van het kernmagnetisme van een enkel koperatoom. Kegels vertegenwoordigen verschillende oriëntaties van de magnetische noordpool van de kern (links) en het elektron (rechts) in het koperatoom. De kern en het elektron zijn magnetisch met elkaar verbonden (rode veer). Elektrische stroom van de STM-tip (rechts weergegeven) regelt het magnetisme van het atoom.

Als je technologie tot het meest fundamentele uiterste verkleint - de atomaire schaal - kan een enkel koperatoom magnetisch worden, afhankelijk van hoe het interageert met de naburige atomen die het koper bevatten. In ons experiment maakten we het koperatoom magnetisch door het aan een zorgvuldig gekozen oppervlak van magnesiumoxide te bevestigen. Dit magnetisme komt van de elektronen in het koperatoom. Deze elektronen circuleren rond de kern - het 'hart' van het atoom - dat opmerkelijk genoeg ook magnetisch is. Wanneer we twee koelkastmagneten bij elkaar plaatsen, trekken ze aan of stoten ze af. Soortgelijke fysica geldt voor de elektronenmagneet en de kernmagneet, en de magnetische kracht ertussen heeft de neiging om ze op één lijn te brengen, zodat ze in dezelfde richting wijzen. De technische term voor deze magnetische kracht in het atoom is hyperfijne interactie.

Hoe het magnetisme van de kern te benutten

Het zwakke magnetische signaal van de kern maakt het een uitdaging om te detecteren en te controleren. De kernmagneet is zo klein dat zijn oriëntatie willekeurig fluctueert als gevolg van warmte, zelfs wanneer deze wordt afgekoeld tot extreem lage temperatuur, zoals in onze experimenten. Dit maakt het moeilijk om de magnetische richting van de kern te controleren, de zogenaamde "spin", om deze te gebruiken om informatie te verwerken en andere magneten waar te nemen. Bij MRI-beeldvorming wordt een zeer groot magnetisch veld gebruikt om de kernen in de atomen van uw lichaam uit te lijnen om in één richting te wijzen. Maar hitte verstoort deze uitlijning, zodat de kernen bijna in willekeurige richtingen wijzen, met slechts een lichte neiging om het veld te volgen. Als gevolg hiervan zijn in MRI vele biljoenen atomen nodig om een ​​meetbaar signaal te produceren. Om de kern van een enkel atoom te besturen, moet deze veel voorspelbaarder worden uitgelijnd, een grote uitdaging. Vervolgens moet elk atoom afzonderlijk worden gedetecteerd om een ​​NMR-signaal te detecteren.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, gebruiken we het elektron dat in een baan om de kern draait, zowel als boodschapper als als manager. Het elektron in het koperatoom "praat" met de kern door de hyperfijn-interactie, om de kern in de gewenste richting te laten wijzen, en voelt vervolgens de resulterende richting. Door het koperelektron te detecteren en te regelen met behulp van elektrische stroom, detecteren en controleren we het kernmagnetisme van een enkel koperatoom.

Ons koperatoom is bevestigd aan een zorgvuldig gekozen oppervlak, magnesiumoxide, dat ons in staat stelt het magnetisme van het koper te onderzoeken. Om het kernmagnetisme van een enkel koperatoom aan te pakken, ontwikkelde ons team een ​​gespecialiseerde magnetische punt voor de microscoop door een enkel ijzeratoom aan de uiterste top te plaatsen, wat het mogelijk maakt om het zeer zwakke magnetisme van een enkele atoomkern te manipuleren en te detecteren.

Enkel-atoom NMR met stroomgestuurde initialisatie

Door simpelweg een elektrische stroom te gebruiken, kunnen we de magnetische oriëntatie van de punt van de STM overbrengen naar de magnetische oriëntatie van de kern van een koperatoom - de kern. Dit is vergelijkbaar met de spin-transfer koppeltechniek, de methode die wordt gebruikt om informatie te schrijven naar magnetische bits in het computergeheugen van de volgende generatie dat bekend staat als MRAM. De animatie hierboven illustreert hoe het magnetisme wordt overgebracht naar de kern. Nadat de kern is ingesteld op een gewenste oriëntatie, moeten we het nauwelijks tastbare signaal van nucleaire oriëntatie uitlezen. Om dit te doen, gebruiken we de elektronenspin die zich op hetzelfde atoom bevindt als een zender, voortbouwend op een eerder artikel dat vorige maand werd gepubliceerd. We gebruiken een techniek die 'Electron Spin Resonance (ESR)' wordt genoemd en die wordt toegepast op individuele atomen, een mogelijkheid die drie jaar geleden is ontwikkeld in het laboratorium van IBM Research - Almaden.

Een kunstenaar weergave van enkele koperatomen (rode ballen) bevestigd aan een oppervlak van magnesiumoxide. De scherpe punt (piramide van grijze ballen) van een STM tast een enkel koperatoom af door er elektrische stroom door te laten lopen.

Ons team heeft een tweede grote stap gezet in dit werk door NMR van een enkel atoom aan te tonen, door gebruik te maken van een radiogolf die via de punt van de microscoop naar het atoom wordt gestuurd. NMR-technieken worden veel gebruikt om de structuur van moleculen te bestuderen en om interne structuren in het menselijk lichaam in beeld te brengen. Omdat de kern van koper magnetisch is, oefent een magnetisch veld een kracht uit die ervoor zorgt dat het wordt verwerkt, vergelijkbaar met een tol die kegelvormige oppervlakken traceert terwijl ze in het zwaartekrachtveld van de aarde presenteren. De kleine "draaiende" koperkernen kunnen zich volgens de wetten van de kwantummechanica op slechts vier verschillende manieren oriënteren ten opzichte van het magnetische veld. Daarom zie je in de figuur en animatie vier kegels die bij de kern horen. Door de frequentie van de radiogolf die wordt uitgezonden door de scherpe punt van STM af te stemmen op de karakteristieke precessiefrequentie van de "kernantenne", kunnen we de oriëntatie van de kernspin resonant draaien.

We zullen dit nieuwe vermogen om de spin van de kern te controleren combineren met het vermogen van de STM om atomen te rangschikken om elektronische en magnetische apparaten te bouwen en te onderzoeken die op atomaire schaal werken, met als doel het gebruik van nucleaire spins om kwantuminformatie te verwerken.

Elektrisch gestuurde nucleaire polarisatie van individuele atomen, Kai Yang, Philip Willke, Yujeong Bae, Alejandro Ferrón, Jose L. Lado, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández-Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz,Natuurnanotechnologie . doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)