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Im Einklang mit dem Herzen eines Kupferatoms

Unser Team von IBM Research hat eine neue Technik entwickelt, um den Magnetismus eines einzelnen Kupferatoms zu kontrollieren, eine Technologie, die es eines Tages ermöglichen könnte, einzelne Atomkerne Informationen zu speichern und zu verarbeiten.

In einem heute in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel , zeigte unser Team, dass wir den Magnetismus des Kerns eines einzelnen Atoms steuern können, indem wir atomare Kernresonanz (NMR) durchführen. NMR ist der Prozess, der der Magnetresonanztomographie (MRT) zugrunde liegt, der Technik, die nicht-invasiv kompliziert detaillierte Bilder des Körpers liefert. 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, mit der Atome einzeln betrachtet und bewegt werden können. Ein wichtiger Durchbruch, da das STM jedes Atom abbilden und positionieren kann, um zu untersuchen, wie das NMR ändert sich und reagiert auf die lokale Umgebung. Durch das Abtasten der ultrascharfen Spitze der Metallnadel des STM über die Oberfläche kann das STM die Form einzelner Atome erkennen und Atome in gewünschte Anordnungen ziehen oder tragen.

Die Durchführung von NMR an einem einzelnen Atom erfordert zwei Hauptschritte. Zuerst haben wir die magnetische Richtung des Kerns polarisiert (in einer wohldefinierten Richtung ausgerichtet). Dann manipulierten wir den Magnetismus des Kerns, indem wir Radiowellen anlegten, die von der Spitze einer scharfen Metallnadel ausgingen. Die Radiowellen sind genau auf die Eigenfrequenz des Kerns abgestimmt.

Das Kupferatom mit magnetischem Herzen

Kupfer ist reichlich vorhanden und wird in unserem täglichen Leben häufig verwendet, von der elektrischen Verkabelung in Häusern bis hin zum Anschließen einzelner Schaltkreise in Mikrochips. Die Nützlichkeit von Metallkupfer beruht auf seiner hervorragenden Fähigkeit, Elektrizität 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.

Künstler Blick auf den Kernmagnetismus eines einzelnen Kupferatoms. Kegel repräsentieren unterschiedliche Orientierungen des magnetischen Nordpols des Kerns (links) und des Elektrons (rechts) innerhalb des Kupferatoms. Kern und Elektron sind magnetisch verbunden (rote Feder). Elektrischer Strom von der STM-Spitze (rechts abgebildet) steuert den Magnetismus des Atoms.

Wenn man die Technologie 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 einer sorgfältig ausgewählten Oberfläche aus Magnesiumoxid befestigt haben. Dieser Magnetismus kommt von den Elektronen im Kupferatom. Diese Elektronen zirkulieren um den Kern – das „Herz“ des Atoms – der bemerkenswerterweise auch magnetisch ist. Wenn wir zwei Kühlschrankmagnete zusammenfügen, ziehen sie sich entweder an oder stoßen sie ab. Ähnliche Physik gilt für den Elektronenmagneten und den Kernmagneten, und die magnetische Kraft zwischen ihnen neigt dazu, sie auszurichten, sodass sie in die gleiche Richtung zeigen. Der Fachbegriff für diese magnetische Kraft innerhalb des Atoms ist Hyperfeinwechselwirkung.

Wie man den Magnetismus des Kerns nutzt

Das schwache magnetische Signal des Zellkerns erschwert die Erkennung und Kontrolle. Der Kernmagnet ist so winzig, dass seine Orientierung aufgrund von Wärme zufällig schwankt, selbst wenn er wie in unseren Experimenten auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt wird. Dies macht es schwierig, die magnetische Richtung des Kerns, den sogenannten „Spin“, zu kontrollieren, um sie zur Verarbeitung von Informationen und zur Wahrnehmung anderer Magnete zu verwenden. Bei 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 fast in zufällige Richtungen zeigen und nur eine geringe Tendenz haben, dem Feld zu folgen. Daher 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, eine große Herausforderung. Dann muss jedes Atom einzeln erfasst werden, um ein NMR-Signal zu detektieren.

Um diese Herausforderungen zu meistern, nutzen wir das Elektron, das den Kern umkreist, sowohl als Bote als auch als Manager. Das Elektron im Inneren des Kupferatoms „spricht“ mit dem Kern durch die Hyperfeinwechselwirkung, um den Kern in die gewünschte Richtung zu schubsen, und spürt dann die resultierende Richtung. Indem wir das Kupferelektron mit elektrischem Strom erkennen und kontrollieren, erkennen und kontrollieren wir den Kernmagnetismus eines einzelnen Kupferatoms.

Unser Kupferatom ist an einer sorgfältig ausgewählten Oberfläche, Magnesiumoxid, befestigt, 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 ein einzelnes Eisenatom an seiner äußersten Spitze platziert wurde, wodurch es möglich ist, den sehr schwachen Magnetismus einzelner Atomkerne zu manipulieren und zu erkennen.

Einzelatom-NMR mit stromgesteuerter Initialisierung

Durch die einfache Verwendung von elektrischem Strom können wir die magnetische Ausrichtung der Spitze des STM auf die magnetische Ausrichtung des Kerns eines Kupferatoms – des Kerns – übertragen. Dies ähnelt der Spin-Transfer-Torque-Technik, der Methode, mit der Informationen in magnetische Bits im Computerspeicher der nächsten Generation, bekannt als MRAM, geschrieben werden. Die obige Animation zeigt, wie der Magnetismus auf den Kern übertragen wird. Nachdem der Kern auf eine gewünschte Orientierung eingestellt ist, müssen wir das kaum greifbare Signal der Kernorientierung auslesen. Um dies zu tun, verwenden wir den Elektronenspin, der sich auf demselben Atom befindet, als Sender, aufbauend auf einer früheren Veröffentlichung, die letzten Monat veröffentlicht wurde. Wir verwenden eine Technik namens "Electron Spin Resonance (ESR)", die auf einzelne Atome angewendet wird, eine Funktion, die vor drei Jahren im IBM Research – Almaden Lab entwickelt wurde.

Künstler Ansicht einzelner Kupferatome (rote Kugeln), die an einer Oberfläche aus Magnesiumoxid befestigt sind. Die scharfe Spitze (Pyramide grauer Kugeln) eines STM untersucht ein einzelnes Kupferatom, indem elektrischer Strom hindurchfließt.

Unser Team hat einen zweiten großen Schritt in dieser Arbeit gemacht, indem es die NMR eines einzelnen Atoms demonstriert hat, indem eine Radiowelle verwendet wird, die durch die Spitze des Mikroskops auf das Atom übertragen wird. NMR-Techniken werden häufig verwendet, um die Struktur von Molekülen zu untersuchen und innere Strukturen im menschlichen Körper abzubilden. Da der Kupferkern magnetisch ist, übt ein Magnetfeld eine Kraft aus, die ihn zu einer Bearbeitung veranlasst, ähnlich einem Kreisel, der kegelförmige Oberflächen nachzeichnet, während sie im Gravitationsfeld der Erde präzedieren. Die winzigen „spinnenden“ Kupferkerne können sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik nur auf vier verschiedene Arten zum Magnetfeld ausrichten. Aus diesem Grund sehen Sie in der Abbildung und Animation vier dem Kern zugeordnete Kegel. Indem wir die Frequenz der von der scharfen Spitze des STM emittierten Radiowelle auf die charakteristische Präzessionsfrequenz der „Kernantenne“ abstimmen, 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 Geräte zu konstruieren und zu untersuchen, die auf atomarer Ebene arbeiten und darauf abzielen, Kernspins zur Verarbeitung von Quanteninformationen zu verwenden.

Elektrisch gesteuerte Kernpolarisation einzelner Atome 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)


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