Kematangan IBM: Mengontrol Magnetisme Tunggal Atom Tembaga melalui NMR
Peneliti IBM Research telah mengembangkan teknik yang secara tepat mengontrol magnetisme tunggal atom tembaga, membentuk dasar untuk penyimpanan data skala atom dan komputasi kuantum.
Dalam terbitan terbaru di Nature Nanotechnology, kami menunjukkan bahwa resonansi magnetik nuklir (NMR) dapat diterapkan pada tunggal inti tembaga, metode yang merupakan dasar dari citra resonansi magnetik (MRI) dan analisis struktur molekul.
Ini adalah kali pertama NMR tunggal atom dicapai menggunakan mikroskopi terowongan skaning (STM), penemuan Nobel IBM yang memungkinkan citra dan penempatan atom secara individual. Dengan memindahkan ujung jarum logam yang sangat tajam STM melintasi permukaan, instrumen dapat mendeteksi bentuk tunggal atom dan bahkan memindahkannya untuk mempelajari bagaimana sinyal NMR bervariasi dengan lingkungan lokalnya.
Melakukan NMR pada tunggal atom membutuhkan dua langkah kunci: pertama, kami memolarisasi orientasi magnetik inti; kedua, kami memanipulasi orientasi tersebut dengan memberikan pulsa radio-frekuensi langsung dari ujung STM, disesuaikan dengan frekuensi resonansi alami inti.
Atom tembaga dengan jantung magnetis
Tembaga berada di mana-mana—dari kabel listrik hingga sirkuit mikrochip—berkat konduktivitas luar biasa. Meskipun tembaga massa adalah diamagnetik dan tidak tertarik pada magnet, atom tembaga terisolasi dapat menunjukkan magnetisme ketika tidak dikelilingi oleh atom tembaga lainnya.
Gambaran seniman tentang magnetisme nuklir tunggal atom tembaga. Konis mewakili orientasi berbeda kutub utara magnetik inti (kiri) dan elektron (kanan). Pegas merah menggambarkan kopling magnetik mereka. Arus ujung STM mengontrol magnetisme atom.
Pada skala atom, atom tembaga tunggal menjadi magnetis karena elektron tidak terpasangnya mengorbit inti—"jantung"—nya dan menghasilkan medan magnet. Ketika kami menyatukan atom tembaga pada permukaan magnesium oksida yang dipilih dengan hati-hati, interaksi hiperhalus yang dihasilkan antara elektron dan inti menyelaraskan momen magnetik mereka, menghasilkan sinyal magnetis yang terdeteksi.
Memanfaatkan magnetisme nuklir
Momen magnetik nuklir sangat lemah, sehingga orientasinya berfluktuasi dengan gerakan termal bahkan pada suhu kriogenik. Dalam MRI, medan eksternal besar menyelaraskan miliar inti, namun kebisingan termal masih membatasi kekuatan sinyal. Untuk mengontrol tunggal inti, kami menggunakan elektron di sekitar sebagai perantara: kopling hiperhalusnya mendorong inti ke orientasi yang diinginkan, dan kemudian kami membaca keadaan yang dihasilkan melalui elektron yang sama.
Ujung STM kami secara khusus dirancang dengan satu atom besi di puncaknya, yang memungkinkan pengiriman energi radio-frekuensi yang tepat dan deteksi sinyal nuklir yang samar.
NMR tunggal atom melalui inisialisasi yang dikendalikan arus
Dengan melewatkan arus listrik melalui ujung STM, kami mentransfer orientasi magnetik ujung STM ke inti tembaga—pendekatan analog dengan torsi transfer spina yang digunakan dalam teknologi memori MRAM. Setelah inti diinisialisasi, kami membaca keadaan itu dengan memanfaatkan resonansi spina elektron (ESR) pada atom yang sama, teknik yang kami sempurnakan dalam studi tahun 2023.
Gambaran seniman tentang atom tembaga tunggal (merah) pada permukaan magnesium oksida. Ujung STM (piramid abu-abu) menyelidiki atom tembaga dengan mengalkannya arus listrik.
Kami melanjutkan pekerjaan ini dengan menunjukkan bahwa gelombang radio yang ditransmisikan dari ujung STM dapat menginduksi NMR pada tunggal inti tembaga. Inti, yang magnetis, bermutar dalam medan eksternal seperti punggung yang berputar, dan empat orientasi yang mungkinnya sesuai dengan keadaan kuantum yang berbeda. Dengan menyesuaikan radio-frekuensi ke frekuensi resonansi inti, kami dapat memutar spinnya dengan presisi tinggi.
Kemampuan ini—menggabungkan penempatan skala atom, NMR tunggal atom, dan kontrol listrik—membuka jalan untuk membangun perangkat magnetik dan elektronik skala nano yang memanfaatkan spin nuklir untuk pemrosesan informasi kuantum.
Referensi
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)
