Messung der magnetischen Signatur eines einzelnen Atomkerns

IBM Research – Almaden im Silicon Valley hat erstmals das magnetische Feld gemessen, das vom Kern eines einzelnen Atoms erzeugt wird. Die Entdeckung, veröffentlicht im Journal Science, zeigt, dass der subtile magnetische Einfluss eines Kerns über seine Wirkung auf die umgebenden Elektronen detektiert werden kann. Diese Technik liefert isotopische Informationen – speziell die Neutronenzahl – und kartiert, wie sich die Magnetisierung eines Atoms mit seiner lokalen atomaren Umgebung ändert. Das Ergebnis eröffnet eine neue Grenze für nanoskaliges Sensing und ist ein entscheidender Fortschritt hin zu kernbasierten spintronischen Bauelementen.

In Zusammenarbeit mit dem Center for Quantum Nanoscience (QNS), der Universität Oxford und dem International Iberian Nanotechnology Laboratory positionierten wir isolierte Eisen- und Titanatome auf einem sorgfältig präparierten Substrat. Die Messungen wurden mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) durchgeführt – IBMs Nobelpreis-gekürtem Instrument –, das eine nanometer-scharfe metallische Spitze nutzt, um einzelne Atome mit atomarer Präzision abzubilden und zu manipulieren.

2021 demonstrierte unser Team die Fähigkeit, den elektronischen Magnetismus eines Atoms zu detektieren und als nanoskalige magnetische Sonde zu nutzen. Aufbauend auf dieser Arbeit haben wir die Empfindlichkeit nun auf die kernebene gesteigert und das weitaus schwächere magnetische Signal des Atomkerns aufgedeckt.

Die Hyperfeinwechselwirkung – die Kopplung zwischen Kernspin und elektronischen Zuständen – stellt einen Kanal für die Detektion von Kernmagnetismus dar. Wir beobachteten, dass das Versetzen eines einzelnen Atoms oder das Annähern eines zweiten Atoms die Hyperfeinaufspaltung veränderte. Durch die Verwendung des STM zur Umpositionierung einzelner Atome demonstrierten wir, dass diese Wechselwirkung hochsensibel auf die chemische Bindungsumgebung reagiert. So zeigte beispielsweise ein Titanatom, das an vier Nachbarn gebunden war, ein deutlich stärkeres Hyperfeinsignal als bei Isolation auf einem einzelnen Sauerstoffatom. Die Daten zeigten auch, dass benachbarte magnetische Atome die Wechselwirkung modulieren und damit veranschaulichen, wie der kombinierte Magnetismus quantenmechanischen Regeln folgt.

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen; die Protonenzahl definiert das Element, während die Anordnung der Neutronen zu verschiedenen Isotopen führt. Kernmagnetismus entsteht durch Spin – eine Quanteneigenschaft, die sich wie eine winzige rotierende geladene Kugel verhält. Nur ausgewählte Isotope besitzen einen Kernspin und erzeugen ein winziges Magnetfeld, vergleichbar mit dem des Erdkerns. Die Detektion dieses Feldes ist außerordentlich anspruchsvoll; herkömmliche MRT stützt sich beispielsweise auf das kollektive Signal von Billionen von Kernen.

Um einen einzelnen Kern zu sondieren, nutzen wir das magnetische Feld seiner umgebenden Elektronen. Obwohl Elektronenspins ein etwa tausendfach stärkeres Feld erzeugen als ein Kern, bleibt ihre Messung auf Einzelatomebene fordernd. Unser Ansatz kombiniert ultratiefe Temperaturen, Schwingungsisolierung und kryogenes Vakuum, um die Atome immobil zu halten und die Messungen rauschfrei zu gestalten.

Wir setzen spinaufgelöste Elektronenspinresonanz (ESR) mit der STM-Spitze als Sonde und Antenne ein. Durch Abstimmen der Mikrowellenfrequenz auf die Elektronenpräzessionsrate – Milliarden Zyklen pro Sekunde – detektieren wir Verschiebungen der Resonanzfrequenz, die subtile Änderungen im lokalen Magnetfeld widerspiegeln. Diese Methode ermöglicht es, den Spinzustand eines einzelnen Atoms aufzulösen, während gleichzeitig seine Position und das umgebende Gitter abgebildet werden, was einen beispiellosen Blick auf magnetische Wechselwirkungen auf atomarer Skala bietet.

Zuvor nutzten wir diese Technik, um die Magnetfelder benachbarter Eisen- und Titanatome auf der Oberfläche zu kartieren. Wir entdeckten auch, dass isolierte Holmiumatome als stabile, nanoskalige magnetische Speicher fungieren. Diese grundlegenden Studien gipfelten im aktuellen Durchbruch, bei dem wir den Magnetismus eines einzelnen Kerns erfolgreich maßen und seine isotopischen Informationen extrahierten.

Paper: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface