Im Einklang mit dem Herzen eines Kupferatoms.

Unser Team von IBM Research entwickelte eine neue Technik zur Kontrolle des Magnetismus eines einzelnen Kupferatoms, eine Technologie, die es eines Tages ermöglichen könnte, dass einzelne Atomkerne Informationen speichern und verarbeiten können.

In einem heute in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Beitrag hat unser Team gezeigt, dass wir den Magnetismus des Kerns eines einzelnen Atoms kontrollieren können, indem wir die Kernmagnetresonanz (NMR) atomweise durchführen. NMR ist der Prozess, der der Magnetresonanztomographie oder MRT zugrunde liegt, der Technik, die nicht-invasiv detailliert Bilder des Körpers enthüllt. Die NMR ist auch ein wichtiges Werkzeug, um die Strukturen von Molekülen zu bestimmen.

Dies ist das erste Mal, dass NMR mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) erreicht wurde, der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten IBM-Erfindung, die es ermöglicht, Atome einzeln zu betrachten und zu bewegen, ein wichtiger Durchbruch, da das STM jedes Atom abbilden und positionieren kann, um zu untersuchen, wie sich das NMR verändert und auf die lokale Umgebung reagiert. Durch das Scannen der ultra-scharfen Spitze der Metallnadel des STM über die Oberfläche kann das STM die Form einzelner Atome erfassen und Atome in die gewünschte Anordnung ziehen oder tragen.

Die Durchführung der NMR an einem einzelnen Atom erfordert zwei wesentliche Schritte. Zuerst haben wir die magnetische Richtung des Kerns polarisiert (in eine genau definierte Richtung ausgerichtet). Dann manipulierten wir den Magnetismus des Kerns, indem wir Radiowellen anwandten, die von der Spitze einer scharfen Metallnadel ausgehen. Die Radiowellen sind exakt auf die Eigenfrequenz des Kerns abgestimmt.

Das Kupferatom mit einem magnetischen Herzen

Kupfer ist reichlich vorhanden und wird in unserem täglichen Leben häufig verwendet, von der elektrischen Verkabelung in Häusern bis hin zum Anschluss einzelner Stromkreise in Mikrochips. Der Nutzen von Metallkupfer ergibt sich aus seiner hervorragenden Fähigkeit, Strom zu leiten. Die magnetischen Eigenschaften von Kupfer sind viel weniger bekannt – wir sehen nie ein Stück Kupfer, das von einem Magneten angezogen wird. Aber der Magnetismus von Kupfer erwacht zum Leben, wenn einzelne Kupferatome nicht von anderen Kupferatomen umgeben sind.

Wenn man die Technologie bis auf das grundlegendste Extrem – die atomare Skala – schrumpft, kann ein einzelnes Kupferatom magnetisch werden, je nachdem, wie es mit den benachbarten Atomen interagiert, die das Kupfer halten. In unserem Experiment haben wir das Kupferatom magnetisch gemacht, indem wir es an eine sorgfältig ausgewählte Oberfläche aus Magnesiumoxid gebunden haben. Dieser Magnetismus kommt von den Elektronen im Kupferatom. Diese Elektronen zirkulieren um den Kern – das „Herz“ des Atoms – das ebenfalls bemerkenswert magnetisch ist. Wenn wir zwei Kühlschrankmagnete zusammensetzen, ziehen sie sich entweder an oder stoßen sie ab. Ähnliche Physik gilt für den Elektronenmagneten und den Kernmagneten, und die Magnetkraft zwischen ihnen neigt dazu, sie auszurichten, so dass sie in die gleiche Richtung zeigen. Der Fachbegriff für diese Magnetkraft im Atom ist die hyperfeine Wechselwirkung.

Wie man den Magnetismus des Kerns nutzt

Das schwache magnetische Signal des Kerns macht es schwierig, ihn zu erkennen und zu kontrollieren. Der Kernmagnet ist so klein, dass seine Ausrichtung aufgrund von Hitze zufällig schwankt, auch wenn er auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt wird, wie in unseren Experimenten. Dies macht es schwierig, die magnetische Richtung des Kerns, den sogenannten „Spin“, zu kontrollieren, um damit Informationen zu verarbeiten und andere Magnete zu erfassen. In der MRT-Bildgebung wird ein sehr großes Magnetfeld verwendet, um die Kerne in den Atomen Ihres Körpers so auszurichten, dass sie in eine Richtung zeigen. Aber Hitze stört diese Ausrichtung, so dass die Kerne nahezu in zufällige Richtungen zeigen, mit nur einer geringen Tendenz, dem Feld zu folgen. Infolgedessen werden in der MRT viele Billionen Atome benötigt, um ein messbares Signal zu erzeugen. Um den Kern eines einzelnen Atoms zu kontrollieren, muss er viel vorhersehbarer ausgerichtet werden, was eine große Herausforderung darstellt. Dann muss jedes Atom einzeln erfasst werden, um ein NMR-Signal zu erfassen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, nutzen wir das Elektron, das den Kern umkreist, sowohl als Boten als auch als Manager. Das Elektron im Inneren des Kupferatoms „spricht“ mit dem Kern durch die hyperfeine Wechselwirkung, um den Kern zu stoßen, in die gewünschte Richtung zu zeigen, und erfasst dann die resultierende Richtung. Durch das Erfassen und Steuern des Kupferelektronen mit elektrischem Strom erfassen und kontrollieren wir den Kernmagnetismus eines einzelnen Kupferatoms.

Unser Kupferatom ist an eine sorgfältig ausgewählte Oberfläche, Magnesiumoxid, gebunden, die es uns ermöglicht, den Magnetismus des Kupfers zu untersuchen. Um den Kernmagnetismus eines einzelnen Kupferatoms zu untersuchen, hat unser Team eine spezielle magnetische Spitze für das Mikroskop entwickelt, indem es ein einzelnes Eisenatom an seiner extremen Spitze platziert hat, was es ermöglicht, den sehr schwachen Magnetismus des einzelnen Atomkerns zu manipulieren und zu erkennen.

Einatomige NMR mit stromgesteuerter Initialisierung

Durch die einfache Verwendung eines elektrischen Stroms sind wir in der Lage, die magnetische Ausrichtung der Spitze des STM auf die magnetische Ausrichtung des Kerns eines Kupferatoms – des Kerns – zu übertragen. Dies ist vergleichbar mit der Spin-Transfer-Drehmomenttechnik, dem Verfahren zum Schreiben von Informationen in Magnetbits im Computerspeicher der nächsten Generation, bekannt als MRAM. Die obige Animation veranschaulicht, wie der Magnetismus auf den Kern übertragen wird. Nachdem der Kern auf eine gewünschte Ausrichtung eingestellt ist, müssen wir das kaum greifbare Signal der nuklearen Ausrichtung vorlesen. Um dies zu tun, verwenden wir den Elektronenspin, der sich auf dem gleichen Atom wie ein Sender befindet, und bauen auf einem vorangegangenen Papier auf, das letzten Monat veröffentlicht wurde. Wir verwenden eine Technik namens „Electron Spin Resonance (ESR)“, die auf einzelne Atome angewendet wird, eine Fähigkeit, die vor drei Jahren im IBM Research – Almaden Labor entwickelt wurde.

Unser Team hat einen zweiten großen Schritt in dieser Arbeit getan, indem es die NMR eines einzelnen Atoms demonstriert hat, indem es eine Radiowelle verwendet hat, die durch die Spitze des Mikroskops auf das Atom übertragen wurde. NMR-Techniken werden häufig eingesetzt, um die Struktur von Molekülen zu untersuchen und innere Strukturen im menschlichen Körper abzubilden. Da der Kern von Kupfer magnetisch ist, übt ein Magnetfeld eine Kraft aus, die ihn zum Verarbeiten veranlasst, ähnlich wie ein Kreisel, der kegelförmige Oberflächen ausspürt, während sie im Gravitationsfeld der Erde vorbeugen. Die winzigen „spinnenden“ Kupferkerne können sich in Bezug auf das Magnetfeld nach den Gesetzen der Quantenmechanik nur auf vier verschiedene Arten orientieren. Deshalb sehen Sie in der Figur und Animation vier Kegel, die mit dem Kern verbunden sind. Durch die Abstimmung der Frequenz der von der scharfen Spitze des STM abgestrahlten Radiowelle auf die charakteristische Verarbeitungsfrequenz der „Kernantenne“ können wir die Ausrichtung des Kernspins resonant drehen.

Wir werden diese neue Fähigkeit, den Spin des Kerns zu kontrollieren, mit der Fähigkeit des STM kombinieren, Atome anzuordnen, um elektronische und magnetische Vorrichtungen zu konstruieren und zu sondieren, die auf atomarer Ebene arbeiten, mit dem Ziel, Kernspins zur Verarbeitung von Quanteninformationen zu verwenden.

Mehr Informationen:
Kai Yang et al. Elektrisch kontrollierte nukleare Polarisation einzelner Atome, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0296-7

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