Het magnetisme van de kern van een enkel atoom detecteren

Ons team van IBM Research − Almaden in Silicon Valley heeft het magnetisme van een enkele atoomkern gedetecteerd, een prestatie die de deur opent naar het gebruik van de kern als een manier om magnetisme op atomaire schaal te detecteren en te beheersen. Deze doorbraak, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science , werd bereikt door het magnetische effect van de kern op de elektronen in hetzelfde atoom te meten. De studie onthult informatie over de isotoop - het aantal neutronen in de atoomkern - en hoe de magnetisatie van het atoom afhangt van de naburige atomen, wat een krachtig nieuw hulpmiddel biedt voor detectie op nanoschaal en een belangrijke stap vormt in de richting van het gebruik van de kern voor toekomstige spintronica .

Figuur 1 :Schets van het experiment. Elke rode bal vertegenwoordigt een magnetisch atoom dat aan een oppervlak is gebonden. Sommige hebben van nature een kernspin, een kleine magneet, in hun kern. De scherpe punt van een STM tast een enkel magnetisch atoom af. Afbeelding met dank aan QNS.

In samenwerking met een internationaal team van medewerkers, waaronder het Centre for Quantum Nanoscience (QNS), de Universiteit van Oxford en het International Iberian Nanotechnology Laboratory, hebben we ijzer- en titaniumatomen gemeten die op een zorgvuldig voorbereid oppervlak waren bevestigd. We gebruikten een scanning tunneling microscope (STM), de Nobelprijswinnende IBM-uitvinding die de punt van een scherpe metalen naald gebruikt om een ​​oppervlak af te tasten om individuele atomen met grote precisie af te beelden en te verplaatsen.

Drie jaar geleden toonde onze groep aan dat we het magnetisme van de elektronen van een enkel atoom konden detecteren en de gevoeligheid ervan voor magnetische velden konden gebruiken om de eigenschappen van nabijgelegen magnetische atomen op het oppervlak te detecteren en te meten. Nu hebben we dit uitgebreid om het veel kleinere magnetisme van de kern te detecteren.

Figuur 2 :Scanning tunneling microscoop opname van het magnesiumoxide oppervlak, waar de kleine uitsteeksels individuele ijzeratomen zijn. Afbeelding met dank aan QNS.

De interactie tussen de kern van een atoom en zijn elektronen, de hyperfijn-interactie genoemd, maakt het mogelijk om het magnetisme van de kern te detecteren. De hyperfijn-interactie binnen elk atoom veranderde wanneer we het atoom naar een andere positie verplaatsten of als we een ander atoom er dichtbij bewogen. We gebruikten de STM om individuele atomen te herpositioneren en laten zien dat de hyperfijninteractie sterk afhangt van chemische binding aan andere atomen. Een titaniumatoom gebonden aan vier nabijgelegen atomen leverde bijvoorbeeld een veel sterkere hyperfijninteractie op dan hetzelfde titaniumatoom bovenop een enkel zuurstofatoom. Verder ontdekten we dat de sterkte van de hyperfijninteractie afhangt van de aanwezigheid van naburige magnetische atomen, dus het onthult hoe het magnetisme van de twee atomen combineert volgens de regels van de kwantummechanica.

Figuur 3 :Twee ijzeratomen, gezien als blauwe heuvels in de onderste afbeeldingen, met verschillende isotopen. Het rechter atoom is de isotoop ijzer-57, die een kernspin heeft. Als resultaat worden twee pieken waargenomen in zijn energiespectrum, overeenkomend met de twee mogelijke oriëntaties voor de spin van de kern. Afbeelding met dank aan QNS.

De kern van een atoom is gemaakt van protonen en neutronen, en het aantal protonen bepaalt welk element het atoom is. Het magnetisme van de kern komt van een eigenschap die "spin" wordt genoemd, omdat het zich ongeveer als een draaiende bal van elektrische lading gedraagt. Slechts enkele isotopen hebben een kern met spin, en deze spin maakt een klein magnetisch veld, net zoals de aarde een magnetisch veld heeft vanwege de elektrische lading die diep in de kern circuleert. Het magnetische veld van de kernspin is zo minuscuul dat het moeilijk te detecteren is, behalve wanneer er vele miljoenen tegelijk worden gemeten. Dit is de basis voor een medische MRI-beeldvormingsmachine, die vele biljoenen nucleaire spins meet voor elk punt in de resulterende beelden.

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. Afbeelding met dank aan QNS.

De spin van een single detecteren kern, maken we gebruik van de elektronen die de kern omringen – de kern en de elektronen vormen samen een atoom. Deze elektronen hebben ook spin. Voor elektronen resulteert de spin in een magnetisch veld dat ongeveer duizend keer groter is dan voor de kern. Dit maakt het detecteren van de elektronen veel gemakkelijker, maar nog steeds buitengewoon uitdagend om voor een enkel atoom tegelijk te voelen.

We gebruiken een geavanceerde vorm van scanning tunneling microscopie die werkt in ultrakoude, schone, trillingsvrije omstandigheden om ervoor te zorgen dat de atomen op hun plaats blijven en de gevoelige metingen niet worden verstoord door hitte, puin of geluid.

Ons team detecteert de spin van een enkel atoom met behulp van een ultragevoelige techniek genaamd spinresonantie, waarbij we de punt van de STM gebruiken om een ​​enkel atoom te vinden en te selecteren om te onderzoeken. Vervolgens gebruiken we elektronenspinresonantie (ESR), die meet hoe snel de noordpool van het elektron roteert. Deze rotatie wordt precessie genoemd en de noordpool beweegt ongeveer zoals de as van een tol die op een tafel is geplaatst, die langzaam roteert om in verschillende richtingen te wijzen. Voor een elektron gebeurt precessie miljarden keren per seconde, en de frequentie van precessie wordt de resonantiefrequentie genoemd. Deze frequentie verandert als reactie op subtiele veranderingen in het magnetische veld dat door het atoom wordt ervaren. Door ESR uit te voeren met behulp van een scanning tunneling-microscoop kunnen we de spin meten terwijl we de positie van het atoom en de atomen waaraan het is gebonden zien, samen met de verder weg gelegen atomen die het subtiel beïnvloeden, waardoor onschatbare informatie wordt onthuld over de magnetische interactie bij het enkele atoom schaal, wat essentieel is voor het ontwerpen van geavanceerde elektronische apparaten gemaakt van verschillende atomen.

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. Afbeelding met dank aan QNS.

Met behulp van spinresonantie bedient een enkel atoom een ​​gevoelige sonde van het magnetische veld, precies op de positie van het atoom. Ons team gebruikte dit eerder om het magnetische veld van nabije atomen op het oppervlak te detecteren. In deze studies gebruikten we ijzer- en titaniumatomen, die elk unieke eigenschappen hebben. We ontdekten zelfs dat individuele atomen van het element holmium fungeren als kleine permanente magneten, zodat ze informatie kunnen opslaan. Deze vooruitgang leidde allemaal tot onze laatste doorbraak, waarin we het magnetisme van de kern en de informatie die het onthult, detecteren.

Papier:Hyperfijne interactie van individuele atomen op een oppervlak