Selaraskan Dengan Jantung Atom Tembaga

Tim kami di IBM Research mengembangkan teknik baru untuk mengontrol magnetisme atom tembaga tunggal, sebuah teknologi yang suatu hari nanti dapat memungkinkan inti atom individu untuk menyimpan dan memproses informasi.

Dalam makalah yang diterbitkan hari ini di jurnal Nature Nanotechnology , tim kami menunjukkan bahwa kami dapat mengontrol magnetisme inti atom tunggal dengan melakukan Resonansi Magnetik Nuklir (NMR) satu atom pada satu waktu. NMR adalah proses yang mendasari pencitraan resonansi magnetik, atau MRI, teknik yang secara non-invasif mengungkapkan gambar tubuh yang detail dan rumit. NMR juga merupakan alat penting yang digunakan untuk menentukan struktur molekul.

Ini adalah pertama kalinya NMR dicapai menggunakan Scanning Tunneling Microscope (STM), penemuan IBM pemenang Hadiah Nobel yang memungkinkan atom untuk dilihat dan dipindahkan satu per satu, sebuah terobosan penting karena STM dapat menggambarkan dan memposisikan setiap atom untuk mempelajari bagaimana NMR berubah dan merespon lingkungan lokal. Dengan memindai ujung jarum logam STM yang sangat tajam melintasi permukaan, STM dapat merasakan bentuk atom tunggal dan dapat menarik atau membawa atom ke susunan yang diinginkan.

Melakukan NMR pada satu atom membutuhkan dua langkah utama. Pertama, kami mempolarisasi (berorientasi dalam arah yang jelas) arah magnet inti. Kemudian, kami memanipulasi magnet inti dengan menerapkan gelombang radio yang berasal dari ujung jarum logam yang tajam. Gelombang radio disetel dengan tepat ke frekuensi alami inti.

Atom tembaga dengan jantung magnet

Tembaga berlimpah dan banyak digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari, mulai dari kabel listrik di rumah hingga menghubungkan sirkuit individu dalam microchip. Kegunaan tembaga logam berasal dari kemampuannya yang luar biasa untuk menghantarkan listrik. Sifat kemagnetan tembaga kurang dikenal kita tidak pernah melihat sepotong tembaga tertarik oleh magnet. Tapi magnet tembaga menjadi hidup ketika atom tembaga individu tidak dikelilingi oleh atom tembaga lainnya.

Seorang artis pandangan magnetisme nuklir dari atom tembaga tunggal. Kerucut mewakili orientasi yang berbeda dari kutub utara magnet inti (kiri) dan elektron (kanan) dalam atom tembaga. Nukleus dan elektron terhubung secara magnetis (pegas merah). Arus listrik dari ujung STM (ditampilkan di kanan) mengontrol magnet atom.

Saat Anda mengecilkan teknologi hingga ke titik ekstrem yang paling mendasar – skala atom – satu atom tembaga dapat menjadi magnetis, tergantung bagaimana ia berinteraksi dengan atom tetangga yang menahan tembaga. Dalam percobaan kami, kami membuat atom tembaga menjadi magnet dengan menempelkannya ke permukaan yang dipilih dengan cermat yang terdiri dari magnesium oksida. Kemagnetan ini berasal dari elektron dalam atom tembaga. Elektron-elektron ini beredar di sekitar nukleus – “jantung” atom – yang juga bersifat magnetis. Ketika kita menyatukan dua magnet kulkas, keduanya akan menarik atau menolak. Fisika serupa berlaku untuk magnet elektron dan magnet nuklir, dan gaya magnet di antara keduanya cenderung sejajar, sehingga keduanya menunjuk ke arah yang sama. Istilah teknis untuk gaya magnet di dalam atom ini adalah interaksi hiperhalus.

Cara memanfaatkan magnet inti

Sinyal magnet yang lemah dari nukleus membuatnya sulit untuk dideteksi dan dikendalikan. Magnet nuklir sangat kecil sehingga orientasinya berfluktuasi secara acak karena panas, bahkan ketika didinginkan hingga suhu yang sangat rendah seperti dalam eksperimen kami. Hal ini membuat sulit untuk mengontrol arah magnet inti, yang disebut "putaran", untuk menggunakannya untuk memproses informasi dan merasakan magnet lainnya. Dalam pencitraan MRI, medan magnet yang sangat besar digunakan untuk menyelaraskan inti atom di tubuh Anda agar mengarah ke satu arah. Tapi panas mengganggu keselarasan ini sehingga titik inti hampir dalam arah acak, dengan hanya sedikit kecenderungan untuk mengikuti medan. Akibatnya, triliunan atom diperlukan dalam MRI untuk menghasilkan sinyal yang terukur. Untuk mengendalikan inti atom tunggal, itu harus disejajarkan dengan lebih dapat diprediksi, sebuah tantangan besar. Kemudian setiap atom harus dirasakan secara individual untuk mendeteksi sinyal NMR.

Untuk mengatasi tantangan ini, kami menggunakan elektron yang mengorbit nukleus sebagai pembawa pesan sekaligus manajer. Elektron di dalam atom tembaga “berbicara” dengan nukleus melalui interaksi yang sangat halus, untuk mendorong nukleus untuk menunjuk ke arah yang diinginkan, dan kemudian merasakan arah yang dihasilkan. Dengan mendeteksi dan mengontrol elektron tembaga menggunakan arus listrik, kami mendeteksi dan mengontrol magnet inti atom tembaga tunggal.

Atom tembaga kami melekat pada permukaan yang dipilih dengan cermat, magnesium oksida, yang memungkinkan kami untuk menyelidiki magnet tembaga. Untuk mengatasi magnetisme nuklir dari satu atom tembaga, tim kami mengembangkan ujung magnet khusus untuk mikroskop dengan menempatkan satu atom besi pada puncaknya yang ekstrem, yang memungkinkan untuk memanipulasi dan mendeteksi magnetisme yang sangat lemah dari inti atom tunggal.

NMR atom tunggal dengan inisialisasi yang dikendalikan arus

Dengan hanya menggunakan arus listrik, kita dapat mentransfer orientasi magnetik ujung STM ke orientasi magnetik inti atom tembaga – nukleus. Ini mirip dengan teknik torsi spin-transfer, metode yang digunakan untuk menulis informasi ke bit magnetik dalam memori komputer generasi berikutnya yang dikenal sebagai MRAM. Animasi di atas menggambarkan bagaimana magnet ditransfer ke nukleus. Setelah inti diatur ke orientasi yang diinginkan, kita perlu membaca sinyal orientasi nuklir yang hampir tidak terlihat. Untuk melakukan ini, kami menggunakan putaran elektron yang berada pada atom yang sama sebagai pemancar, yang dibangun dari makalah sebelumnya yang diterbitkan bulan lalu. Kami menggunakan teknik yang disebut “Electron Spin Resonance (ESR)” yang diterapkan pada atom individu, kemampuan yang dikembangkan di lab IBM Research – Almaden tiga tahun lalu.

Seorang artis pandangan atom tembaga tunggal (bola merah) yang menempel pada permukaan magnesium oksida. Ujung tajam (piramida bola abu-abu) dari STM sedang menyelidiki atom tembaga tunggal dengan mengalirkan arus listrik melaluinya.

Tim kami telah mengambil langkah besar kedua dalam pekerjaan ini dengan mendemonstrasikan NMR dari satu atom, dengan menggunakan gelombang radio yang ditransmisikan ke atom melalui ujung mikroskop. Teknik NMR banyak digunakan untuk mempelajari struktur molekul dan untuk menggambarkan struktur internal dalam tubuh manusia. Karena inti tembaga bersifat magnetis, medan magnet memberikan gaya yang menyebabkannya memproses, mirip dengan gasing yang berputar menelusuri permukaan berbentuk kerucut saat mereka berpresisi di medan gravitasi bumi. Inti tembaga kecil yang "berputar" dapat mengorientasikan diri hanya dalam empat cara berbeda sehubungan dengan medan magnet, menurut hukum mekanika kuantum. Inilah sebabnya mengapa Anda melihat empat kerucut yang terkait dengan nukleus pada gambar dan animasi. Dengan menyetel frekuensi gelombang radio yang dipancarkan dari ujung tajam STM, ke frekuensi presesi karakteristik "antena nuklir", kami dapat memutar orientasi putaran nuklir secara resonansi.

Kami akan menggabungkan kemampuan baru untuk mengontrol putaran inti dengan kemampuan STM untuk mengatur atom untuk membangun dan menyelidiki perangkat elektronik dan magnetik yang beroperasi pada skala atom, yang bertujuan untuk menggunakan putaran nuklir untuk memproses informasi kuantum.

Polarisasi inti atom individu yang dikontrol secara elektrik, 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)