Erkennen des Magnetismus des Kerns eines einzelnen Atoms

Unser Team von IBM Research − Almaden im Silicon Valley hat den Magnetismus eines einzelnen Atomkerns entdeckt, eine Leistung, die die Tür öffnet, um den Kern als Möglichkeit zu nutzen, Magnetismus auf atomarer Ebene zu erfassen und zu kontrollieren. Dieser Durchbruch wurde kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlicht , wurde durch die Messung der magnetischen Wirkung des Kerns auf die Elektronen im selben Atom erreicht. Die Studie enthüllt Informationen über das Isotop – die Anzahl der Neutronen im Atomkern – und wie die Magnetisierung des Atoms von seinen Nachbaratomen abhängt .

Abbildung 1 :Skizze des Experiments. Jede rote Kugel repräsentiert ein magnetisches Atom, das an eine Oberfläche gebunden ist. Einige haben von Natur aus einen Kernspin, einen kleinen Magneten, in ihrem Kern. Die scharfe Spitze eines STM tastet ein einzelnes magnetisches Atom ab. Bild mit freundlicher Genehmigung von QNS.

In Zusammenarbeit mit einem internationalen Team von Mitarbeitern, darunter das Center for Quantum Nanoscience (QNS), die University of Oxford und das International Iberian Nanotechnology Laboratory, haben wir Eisen- und Titanatome gemessen, die an einer sorgfältig präparierten Oberfläche befestigt waren. Wir verwendeten ein Rastertunnelmikroskop (STM), die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete IBM-Erfindung, die mit der Spitze einer scharfen Metallnadel eine Oberfläche abtastet, um einzelne Atome mit hoher Präzision abzubilden und zu bewegen.

Vor drei Jahren zeigte unsere Gruppe, dass wir den Magnetismus der Elektronen eines einzelnen Atoms erkennen und seine Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern nutzen können, um die Eigenschaften nahegelegener magnetischer Atome auf der Oberfläche zu erkennen und zu messen. Jetzt haben wir dies erweitert, um den viel kleineren Magnetismus des Kerns zu erkennen.

Abbildung 2 :Rastertunnelmikroskopische Aufnahme der Magnesiumoxidoberfläche, wo die kleinen Vorsprünge einzelne Eisenatome sind. Bild mit freundlicher Genehmigung von QNS.

Die Wechselwirkung zwischen dem Atomkern und seinen Elektronen, die sogenannte Hyperfeinwechselwirkung, ermöglicht es, den Magnetismus des Atomkerns nachzuweisen. Die Hyperfeinwechselwirkung innerhalb jedes Atoms änderte sich, wenn wir das Atom an eine andere Position oder ein anderes Atom in seine Nähe bewegten. Wir haben das STM verwendet, um einzelne Atome neu zu positionieren und zu zeigen, dass die Hyperfeinwechselwirkung stark von der chemischen Bindung zu anderen Atomen abhängt. Zum Beispiel ergab ein Titanatom, das an vier benachbarte Atome gebunden war, eine viel stärkere Hyperfeinwechselwirkung als das gleiche Titanatom, das auf einem einzelnen Sauerstoffatom sitzt. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Stärke der Hyperfeinwechselwirkung von der Anwesenheit benachbarter magnetischer Atome abhängt, was zeigt, wie sich der Magnetismus der beiden Atome nach den Regeln der Quantenmechanik kombiniert.

Abbildung 3 :Zwei Eisenatome, in den unteren Bildern als blaue Hügel zu sehen, mit unterschiedlichen Isotopen. Das rechte Atom ist das Isotop Eisen-57, das einen Kernspin hat. Als Ergebnis werden zwei Peaks in seinem Energiespektrum beobachtet, die den zwei möglichen Orientierungen für den Spin des Kerns entsprechen. Bild mit freundlicher Genehmigung von QNS.

Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und Neutronen, und die Anzahl der Protonen bestimmt, welches Element das Atom ist. Der Magnetismus des Kerns kommt von einer Eigenschaft namens „Spin“, weil er sich ähnlich wie ein rotierender Ball aus elektrischer Ladung verhält. Nur einige Isotope haben einen Kern mit Spin, und dieser Spin erzeugt ein kleines Magnetfeld, so wie die Erde aufgrund der elektrischen Ladung, die tief in ihrem Kern zirkuliert, ein Magnetfeld hat. Das Magnetfeld des Kernspins ist so winzig, dass es schwer zu erkennen ist, außer wenn viele Millionen gleichzeitig gemessen werden. Dies ist die Grundlage für ein medizinisches MRT-Bildgebungsgerät, das viele Billionen von Kernspins für jeden Punkt in den resultierenden Bildern misst.

Abbildung 4 :Energiespektren gemessen an einzelnen Titanatomen. Zwei Isotope haben einen hohen Kernspin und zeigen daher mehrere Peaks, einen Peak für jede Orientierung des Kerns. Bild mit freundlicher Genehmigung von QNS.

Um den Spin einer Single zu erkennen Kern nutzen wir die den Kern umgebenden Elektronen – Kern und Elektronen bilden zusammen ein Atom. Diese Elektronen haben auch einen Spin. Bei Elektronen führt der Spin zu einem Magnetfeld, das etwa tausendmal größer ist als beim Kern. Dies macht den Nachweis der Elektronen viel einfacher, aber es ist immer noch äußerst schwierig, für ein einzelnes Atom gleichzeitig zu erfassen.

Wir verwenden eine fortschrittliche Form der Rastertunnelmikroskopie, die unter ultrakalten, sauberen und vibrationsfreien Bedingungen arbeitet, um sicherzustellen, dass die Atome an Ort und Stelle bleiben und die empfindlichen Messungen nicht durch Hitze, Schmutz oder Geräusche gestört werden.

Unser Team erkennt den Spin eines einzelnen Atoms mithilfe einer ultrasensiblen Technik namens Spinresonanz, bei der wir die Spitze des STM verwenden, um ein einzelnes Atom zur Untersuchung zu finden und auszuwählen. Dann verwenden wir die Elektronenspinresonanz (ESR), die misst, wie schnell sich der Nordpol des Elektrons dreht. Diese Drehung wird Präzession genannt, und der Nordpol bewegt sich ähnlich wie die Achse eines Kreisels auf einem Tisch, der sich langsam dreht, um in verschiedene Richtungen zu zeigen. Bei einem Elektron findet die Präzession milliardenfach pro Sekunde statt, und die Präzessionsfrequenz wird Resonanzfrequenz genannt. Diese Frequenz ändert sich als Reaktion auf subtile Änderungen des Magnetfelds, das das Atom erfährt. Die ESR mit einem Rastertunnelmikroskop ermöglicht es uns, den Spin zu messen, während wir die Position des Atoms und derer, an die es gebunden ist, zusammen mit den entfernteren Atomen, die ihn subtil beeinflussen, sehen, was unschätzbare Informationen über die magnetische Wechselwirkung am Einzelatom liefert Maßstab, der für das Design fortschrittlicher elektronischer Geräte aus mehreren Atomen unerlässlich ist.

Abbildung 5 :Ein einzelnes Titanatom wird an drei verschiedene Positionen auf der Oberfläche bewegt. Dadurch ändert sich das Spektrum, da die Wechselwirkung mit dem Kernspin von der Chemie der Bindungsstelle abhängt. Bild mit freundlicher Genehmigung von QNS.

Mittels Spinresonanz dient ein einzelnes Atom einer empfindlichen Sonde des Magnetfelds direkt am Ort des Atoms. Unser Team nutzte dies zuvor, um das Magnetfeld von nahegelegenen Atomen auf der Oberfläche zu detektieren. In diesen Studien haben wir Eisen- und Titanatome verwendet, die jeweils einzigartige Eigenschaften haben. Wir fanden sogar heraus, dass einzelne Atome des Elements Holmium wie winzige Permanentmagnete wirken, um Informationen zu speichern. Diese Fortschritte führten alle zu unserem neuesten Durchbruch, bei dem wir den Magnetismus des Kerns und die Informationen, die er enthüllt, erkennen.

Aufsatz:Hyperfeine Wechselwirkung einzelner Atome auf einer Oberfläche