Mendeteksi Magnetisme Inti Atom Tunggal

Tim kami di IBM Research Almaden di Silicon Valley telah mendeteksi magnetisme inti atom tunggal, suatu prestasi yang membuka pintu untuk menggunakan inti sebagai cara untuk merasakan dan mengontrol magnetisme pada skala atom. Terobosan ini, baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Science , dicapai dengan mengukur efek magnetik nukleus pada elektron dalam atom yang sama. Studi ini mengungkapkan informasi tentang isotop – jumlah neutron dalam inti atom – dan bagaimana magnetisasi atom bergantung pada atom tetangganya, menyediakan alat baru yang kuat untuk penginderaan pada skala nano dan menyajikan langkah besar menuju penggunaan nukleus untuk spintronics masa depan. .

Gambar 1 :Sketsa percobaan. Setiap bola merah mewakili atom magnetik yang terikat pada permukaan. Beberapa secara alami memiliki putaran nuklir, magnet kecil, di intinya. Ujung tajam STM menyelidiki atom magnetik tunggal. Gambar milik QNS.

Bekerja dengan tim kolaborator internasional termasuk Center for Quantum Nanoscience (QNS), Universitas Oxford dan Laboratorium Nanoteknologi Iberia Internasional, kami mengukur atom besi dan titanium yang dilekatkan pada permukaan yang disiapkan dengan cermat. Kami menggunakan mikroskop scanning tunneling (STM), penemuan IBM pemenang hadiah Nobel yang menggunakan ujung jarum logam tajam untuk memindai permukaan untuk mengambil gambar dan memindahkan atom individu dengan presisi tinggi.

Tiga tahun lalu, kelompok kami menunjukkan bahwa kami dapat mendeteksi kemagnetan elektron dari sebuah atom tunggal dan menggunakan kepekaannya terhadap medan magnet sebagai cara untuk mendeteksi dan mengukur sifat-sifat atom magnetik terdekat di permukaan. Sekarang, kami telah memperluas ini untuk mendeteksi magnetisme inti yang jauh lebih kecil.

Gambar 2 :Memindai gambar mikroskop tunneling dari permukaan magnesium oksida, di mana tonjolan kecil adalah atom besi individu. Gambar milik QNS.

Interaksi antara inti atom dan elektronnya, yang disebut interaksi hyperfine, memungkinkan untuk mendeteksi kemagnetan inti. Interaksi hyperfine dalam setiap atom berubah ketika kita memindahkan atom ke posisi yang berbeda atau jika kita memindahkan atom lain yang dekat dengannya. Kami menggunakan STM untuk memposisikan ulang atom individu dan menunjukkan bahwa interaksi hyperfine sangat bergantung pada ikatan kimia dengan atom lain. Misalnya, atom titanium yang terikat pada empat atom terdekat menghasilkan interaksi hyperfine yang jauh lebih kuat daripada atom titanium yang sama yang bertengger di atas atom oksigen tunggal. Lebih lanjut, kami menemukan bahwa kekuatan interaksi hyperfine bergantung pada keberadaan atom magnetik tetangga, sehingga hal ini mengungkapkan bagaimana magnetisme kedua atom bergabung menurut aturan mekanika kuantum.

Gambar 3 :Dua atom besi, terlihat seperti bukit biru di gambar bawah, memiliki isotop yang berbeda. Atom yang tepat adalah isotop besi-57, yang memiliki spin nuklir. Akibatnya, dua puncak diamati dalam spektrum energinya, sesuai dengan dua kemungkinan orientasi spin nukleus. Gambar milik QNS.

Inti atom terbuat dari proton dan neutron, dan jumlah proton menentukan unsur atom tersebut. Magnetisme nukleus berasal dari sifat yang disebut "putaran" karena berperilaku seperti bola muatan listrik yang berputar. Hanya beberapa isotop yang memiliki inti dengan putaran, dan putaran ini menghasilkan medan magnet kecil, seperti halnya bumi memiliki medan magnet karena muatan listrik yang beredar jauh di dalam intinya. Medan magnet dari putaran nuklir sangat kecil sehingga sulit untuk dideteksi, kecuali jika jutaan diukur pada waktu yang sama. Ini adalah dasar untuk mesin pencitraan MRI medis, yang mengukur triliunan putaran nuklir untuk setiap titik dalam gambar yang dihasilkan.

Gambar 4 :Spektrum energi diukur pada atom titanium individu. Dua isotop memiliki spin nuklir yang tinggi dan dengan demikian menampilkan beberapa puncak, satu puncak untuk setiap orientasi nukleus. Gambar milik QNS.

Untuk mendeteksi putaran tunggal nukleus, kami menggunakan elektron yang mengelilingi nukleus – bersama-sama nukleus dan elektron membentuk atom. Elektron ini juga memiliki spin. Untuk elektron, putaran menghasilkan medan magnet yang kira-kira seribu kali lebih besar daripada nukleus. Hal ini membuat pendeteksian elektron menjadi lebih mudah, tetapi masih sangat sulit untuk mendeteksi satu atom pada satu waktu.

Kami menggunakan bentuk canggih dari scanning tunneling microscopy yang beroperasi dalam kondisi sangat dingin, bersih, dan bebas getaran untuk memastikan atom tetap di tempatnya dan pengukuran sensitif tidak terganggu oleh panas, serpihan, atau kebisingan.

Tim kami mendeteksi putaran atom tunggal dengan menggunakan teknik ultra-sensitif yang disebut resonansi putaran di mana kami menggunakan ujung STM untuk menemukan dan memilih satu atom untuk diperiksa. Kemudian kami menggunakan resonansi spin elektron (ESR), yang mendeteksi seberapa cepat kutub utara elektron berputar. Rotasi ini disebut presesi, dan kutub utara bergerak seperti sumbu gasing berputar yang diletakkan di atas meja, yang perlahan-lahan berputar ke arah yang berbeda. Untuk sebuah elektron, presesi terjadi miliaran kali per detik, dan frekuensi presesi disebut frekuensi resonansi. Perubahan frekuensi ini sebagai respons terhadap perubahan halus dalam medan magnet yang dialami atom. Melakukan ESR menggunakan mikroskop tunneling pemindaian memungkinkan kita mengukur putaran sambil melihat posisi atom dan ikatannya, bersama dengan atom yang lebih jauh yang memengaruhinya secara halus, mengungkapkan informasi berharga tentang interaksi magnetik di atom tunggal. skala, yang penting untuk merancang perangkat elektronik canggih yang terbuat dari beberapa atom.

Gambar 5 :Sebuah atom titanium tunggal dipindahkan ke tiga posisi berbeda di permukaan. Ini mengubah spektrum, karena interaksi dengan spin nuklir sensitif terhadap kimia dari situs pengikatan. Gambar milik QNS.

Menggunakan resonansi spin, atom tunggal melayani probe sensitif medan magnet, tepat di posisi atom. Tim kami sebelumnya menggunakan ini untuk mendeteksi medan magnet atom terdekat yang ditempatkan di permukaan. Dalam studi ini kami menggunakan atom besi dan titanium, yang masing-masing memiliki sifat unik. Kami bahkan menemukan bahwa atom individu dari elemen holmium bertindak sebagai magnet permanen kecil sehingga mereka dapat menyimpan informasi. Semua kemajuan ini mengarah pada terobosan terbaru kami, di mana kami mendeteksi magnet inti dan informasi yang diungkapkannya.

Kertas:Interaksi yang sangat halus dari atom individu pada permukaan