De magnetische handtekening van een enkele atoomkern meten

IBM Research – Almaden, in Silicon Valley, heeft voor het eerst het magnetische veld gemeten dat wordt gegenereerd door de kern van een enkel atoom. De ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Science, toont aan dat de subtiele magnetische invloed van een kern gedetecteerd kan worden via zijn effect op de omringende elektronen. Deze techniek levert isotopische informatie – specifiek het neutronenaantal – en kaart hoe de magnetisatie van een atoom verandert met zijn lokale atoomsfeer. Het resultaat opent een nieuwe grens voor nanoschaalsensing en is een cruciale stap naar kerngebaseerde spintronische apparaten.

Figuur 1: Schets van het experiment. Elke rode bal vertegenwoordigt een magnetisch atoom gebonden aan een oppervlak. Sommige hebben van nature een kernspin, een kleine magneet, in hun kern. De scherpe punt van een STM onderzoekt een enkel magnetisch atoom. Beeld courtesy QNS.

In samenwerking met het Center for Quantum Nanoscience (QNS), de Universiteit van Oxford en het International Iberian Nanotechnology Laboratory, positioneerden we geïsoleerde ijzer- en titaniumatomen op een zorgvuldig voorbereid substraat. De metingen werden uitgevoerd met een scanning tunneling microscope (STM) – IBM's Nobelprijs-winnende instrument – dat een nanometer-scherpe metalen punt gebruikt om individuele atomen met atomaire precisie te visualiseren en manipuleren.

In 2021 toonde ons team de mogelijkheid om de elektronische magnetisme van een atoom te detecteren en te benutten als nanoschaalmagnetische sensor. Op dat werk voortbouwend, hebben we de gevoeligheid nu naar het kerfniveau getild, waarbij we het veel zwakkere magnetische handtekening van de atoomkern onthulden.

Figuur 2: Scanning tunneling microscope beeld van het magnesiumoxide-oppervlak, waar de kleine uittreksels individuele ijzeratomen zijn. Beeld courtesy QNS.

De hyperfine interactie – de koppeling tussen kernspin en elektronische toestanden – biedt een geleiding voor het detecteren van kernmagnetisme. We observeerden dat het verplaatsen van een enkel atoom of het naderen van een tweede atoom de hyperfine splitting veranderde. Door de STM te gebruiken om individuele atomen te herpositioneren, toonden we aan dat deze interactie zeer gevoelig is voor de chemische bindingsomgeving. Bijvoorbeeld, een titaniumatoom gebonden aan vier buren vertoonde een aanzienlijk sterkere hyperfine signaal dan geïsoleerd bovenop een enkel zuurstofatoom. De data onthulden ook dat buurende magnetische atomen de interactie moduleren, wat illustreert hoe de gecombineerde magnetisme volgt uit kwantummechanische regels.

Figuur 3: Twee ijzeratomen, gezien als blauwe heuvels in de onderste beelden, met verschillende isotopen. Het rechter atoom is het isotoop ijzer-57, dat een kernspin bezit. Als gevolg worden twee pieken waargenomen in zijn energiespectrum, corresponderend met de twee mogelijke oriëntaties voor de spin van de kern. Beeld courtesy QNS.

De kern van een atoom bestaat uit protonen en neutronen; het protoneaantal definieert het element, terwijl de rangschikking van neutronen leidt tot verschillende isotopen. Kernmagnetisme ontstaat uit spin – een kwantumeigenschap die gedraagt als een miniatuur rotterende geladen bol. Alleen geselecteerde isotopen bezitten een kernspin, wat een miniscuul magnetisch veld produceert vergelijkbaar met dat van de aardkern. Het detecteren van dit veld is uitdagend; conventionele MRI steunt bijvoorbeeld op het collectieve signaal van triljoenen kernen.

Figuur 4: Energiespectra gemeten op individuele titaniumatomen. Twee isotopen hebben een hoge kernspin en vertonen dus meerdere pieken, één piek voor elke oriëntatie van de kern. Beeld courtesy QNS.

Om een enkele kern te onderzoeken, benutten we het magnetische veld van de omringende elektronen. Hoewel elektronspins een veld genereren dat ongeveer duizend keer sterker is dan dat van een kern, blijft meten op enkel-atoomniveau eisend. Onze aanpak combineert ultra-lage temperaturen, trillingsisolatie en cryogeen vacuum om de atomen immobile te houden en de metingen ruisvrij te maken.

Figuur 5: Een enkel titaniumatoom wordt naar drie verschillende posities op het oppervlak verplaatst. Dit verandert het spectrum, omdat de interactie met de kernspin gevoelig is voor de chemie van de bindingsplaats. Beeld courtesy QNS.

We gebruiken spin-aufgeloste elektronenspinresonantie (ESR) met de STM-punt als zowel sensor als antenne. Door de microgolf frequentie af te stemmen op de elektronenprecitatiesnelheid – miljarden cycli per seconde – detecteren we verschuivingen in de resonantiefrequentie die subtiele veranderingen in het lokale magnetische veld weerspiegelen. Deze methode stelt ons in staat de spintoestand van een enkel atoom op te lossen terwijl we tegelijkertijd zijn positie en het omringende rooster visualiseren, wat een ongekend beeld geeft van magnetische interacties op atomaire schaal.

Eerder gebruikten we deze techniek om de magnetische velden van buurende ijzer- en titaniumatomen op het oppervlak te karteren. We ontdekten ook dat geïsoleerde holmiumatomen fungeren als stabiele, nanoschaal magnetische geheugens. Deze fundamentele studies kulmineren in de huidige doorbraak, waarin we met succes de magnetisme van een individuele kern maatten en zijn isotopische informatie extraheerden.

Paper: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface