IBM-Durchbruch: Steuerung des Magnetismus eines einzelnen Kupferatoms per NMR

IBM Research hat eine Technik entwickelt, die den Magnetismus eines einzelnen Kupferatoms präzise steuert und damit die Grundlage für Datenspeicherung im atomaren Maßstab und Quantencomputing legt.

Einzelatom-NMR mit dem Rastertunnelmikroskop

In einer aktuellen Veröffentlichung in Nature Nanotechnology demonstrierten wir, dass die Kernspinresonanz (NMR) auf einen einzelnen Kupferkern angewendet werden kann – eine Methode, die der Magnetresonanztomographie (MRT) und der strukturellen Analyse von Molekülen zugrunde liegt.

Dies ist das erste Mal, dass Einzelatom-NMR mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) erreicht wurde, IBMs Nobelpreis-gekürter Erfindung, die es ermöglicht, Atome einzeln abzubilden und zu positionieren. Durch das Scannen der ultradünnen Spitze der STM-Nadel über eine Oberfläche kann das Instrument die Form einzelner Atome erfassen und diese sogar umpositionieren, um zu untersuchen, wie sich NMR-Signale mit ihrer lokalen Umgebung verändern.

Zwei Schlüsselschritte zur Einzelatom-NMR

Die NMR an einem einzelnen Atom erfordert zwei zentrale Schritte: Zunächst wird die magnetische Orientierung des Kerns polarisiert; anschließend wird diese Orientierung durch die Applikation von Radiofrequenz-Impulsen direkt von der STM-Spitze manipuliert, die auf die natürliche Resonanzfrequenz des Kerns abgestimmt sind.

Das Kupferatom mit magnetischem Kern

Kupfer ist allgegenwärtig – von elektrischer Verkabelung bis hin zu Mikrochip-Schaltkreisen – dank seiner außergewöhnlichen Leitfähigkeit. Während massives Kupfer diamagnetisch ist und nicht von Magneten angezogen wird, kann ein isoliertes Kupferatom Magnetismus aufweisen, wenn es nicht von anderen Kupferatomen umgeben ist.

Auf atomarer Skala wird ein einzelnes Kupferatom magnetisch, weil seine ungepaarten Elektronen den Kern – sein „Herz“ – umkreisen und ein Magnetfeld erzeugen. Wenn wir das Kupferatom an eine sorgfältig gewählte Magnesiumoxid-Oberfläche binden, richtet die resultierende Hyperfeinwechselwirkung zwischen Elektron und Kern ihre magnetischen Momente aus und erzeugt ein nachweisbares magnetisches Signal.

Nutzung des Kernmagnetismus

Das kernmagnetische Moment ist extrem schwach, sodass seine Orientierung selbst bei kryogenen Temperaturen durch thermische Bewegung schwankt. In der MRT richtet ein starkes externes Feld Milliarden von Kernen aus, doch thermisches Rauschen begrenzt die Signalstärke. Um einen einzelnen Kern zu steuern, nutzen wir das umgebende Elektron als Mediator: Seine Hyperfeinkopplung stößt den Kern in die gewünschte Orientierung, und wir lesen den resultierenden Zustand über dasselbe Elektron aus.

Unsere STM-Spitze ist speziell mit einem einzelnen Eisenatom an ihrer Apex konstruiert, was die präzise Abgabe von Radiofrequenzenergie und die Detektion des schwachen Kernsignals ermöglicht.

Einzelatom-NMR durch stromgesteuerte Initialisierung

Indem wir einen elektrischen Strom durch die STM-Spitze leiten, übertragen wir die magnetische Orientierung der Spitze auf den Kupferkern – ein Ansatz, der dem Spin-Transfer-Drehmoment analog ist, das in MRAM-Speichertechnologie verwendet wird. Sobald der Kern initialisiert ist, lesen wir seinen Zustand aus, indem wir die Elektronenspinresonanz (ESR) am selben Atom ausnutzen, eine Technik, die wir in einer 2023er-Studie verfeinert haben.

Wir führten diese Arbeit weiter, indem wir demonstrierten, dass eine von der STM-Spitze ausgesendete Radiowelle NMR in einem einzelnen Kupferkern induzieren kann. Der Kern, da er magnetisch ist, präzediert im externen Feld wie ein Kreisel, und seine vier möglichen Orientierungen entsprechen verschiedenen Quantenzuständen. Durch Abstimmen der Radiofrequenz auf die Resonanzfrequenz des Kerns können wir seinen Spin mit hoher Präzision drehen.

Diese Fähigkeit – die Kombination von atomarer Positionierung, Einzelatom-NMR und elektrischer Steuerung – eröffnet einen Weg zum Bau nanoskaliger magnetischer und elektronischer Geräte, die Kernspins für die Quanteninformationsverarbeitung nutzen.

Referenz

Electrically controlled nuclear polarization of individual atoms, 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)