Mengukur Tanda Tangan Magnetis Nukleus Tunggal Atom
IBM Research – Almaden, yang berlokasi di Silicon Valley, telah untuk pertama kalinya mengukur medan magnet yang dihasilkan oleh nukleus tunggal atom. Penemuan ini, yang dipublikasikan di jurnal Science, menunjukkan bahwa pengaruh magnetis halus dari nukleus dapat terdeteksi melalui pengaruhnya pada elektron di sekitarnya. Teknik ini memberikan informasi isotop—secara khusus jumlah neutron—dan memetakan bagaimana magnetisasi atom berubah dengan lingkungan atom lokalnya. Hasilnya membuka perbatasan baru untuk pemersatuan skala nano dan merupakan kemajuan penting menuju perangkat spintronik berbasis nuklir.
Gambar 1: Sketsa eksperimen. Setiap bola merah mewakili atom magnetis yang menyatu pada permukaan. Beberapa secara alami memiliki spin nuklir, magnet kecil, pada inti mereka. Ujung tajam STM menyelidiki satu atom magnetis. Gambar dengan kredit QNS.
Bermitra dengan Pusat Nanosains Kuantum (QNS), Universitas Oxford, dan Laboratorium Internasional Iberian Nanotechnology, kami menempatkan atom besi dan titan terisolasi pada substrat yang disiapkan dengan cermat. Pengukuran dilakukan dengan mikroskopi terowongan skaning (STM)—instrumen penghargaan Nobel IBM—yang menggunakan ujung logam tajam skala nanometer untuk mencitrakan dan memanipulasi atom individual dengan presisi atomik.
Pada tahun 2021, tim kami menunjukkan kemampuan untuk mendeteksi magnetisme elektron atom dan memanfaatkannya sebagai sonda magnetis skala nano. Membangun pada pekerjaan tersebut, kami kini mendorong sensitivitas ke tingkat nuklir, mengungkap tanda tangan magnetis yang jauh lebih lemah dari inti atom.
Gambar 2: Citra mikroskopi terowongan skaning permukaan magnesium oksida, di mana penyuluran kecil adalah atom besi individual. Gambar dengan kredit QNS.
Interaksi hiperhalus—kopling antara spin nuklir dan keadaan elektron—menyediakan saluran untuk mendeteksi magnetisme nuklir. Kami mengamati bahwa memindahkan satu atom atau mendekatkan atom kedua mengubah pembagian hiperhalus. Dengan menggunakan STM untuk memindahkan atom individual, kami menunjukkan bahwa interaksi ini sangat sensitif terhadap lingkungan pengikatan kimia. Misalnya, atom titan yang menyatu dengan empat tetangga menunjukkan sinyal hiperhalus yang jauh lebih kuat dibandingkan saat terisolasi di atas satu atom oksigen. Data juga menunjukkan bahwa atom magnetis tetangga memodulasi interaksi, sehingga menggambarkan bagaimana magnetisme gabungan mengikuti aturan mekanika kuantum.
Gambar 3: Dua atom besi, terlihat sebagai bukit biru pada gambar bawah, yang memiliki isotop berbeda. Atom kanan adalah isotop besi-57, yang memiliki spin nuklir. Akibatnya, dua puncak teramati dalam spektrum energi, yang sesuai dengan dua orientasi yang mungkin untuk spin inti. Gambar dengan kredit QNS.
Inti atom terdiri dari proton dan neutron; jumlah proton menentukan elemen, sedangkan susunan neutron menghasilkan berbagai isotop. Magnetisme nuklir berasal dari spin—sifat kuantum yang berperilaku seperti bola terisi muatan berputar kecil. Hanya beberapa isotop yang memiliki spin nuklir, menghasilkan medan magnet yang sangat kecil yang dapat dibandingkan dengan inti Bumi. Mendeteksi medan ini sangat sulit; MRI konvensional, misalnya, mengandalkan sinyal kolektif dari triliunan inti.
Gambar 4: Spektrum energi yang diukur pada atom titan individual. Dua isotop memiliki spin nuklir tinggi dan sehingga menampilkan beberapa puncak, satu puncak untuk setiap orientasi inti. Gambar dengan kredit QNS.
Untuk menyelidiki satu inti, kami memanfaatkan medan magnet dari elektron di sekitarnya. Meskipun spin elektron menghasilkan medan yang sekitar seribu kali lebih kuat dari inti, mengukurnya pada tingkat satu atom masih menuntut. Pendekatan kami menggabungkan suhu ultra-rendah, isolasi getaran, dan vakum kriogenik untuk menjaga atom tetap diam dan pengukuran bebas kebisingan.
Gambar 5: Satu atom titan dipindahkan ke tiga posisi yang berbeda pada permukaan. Ini mengubah spektrum, karena interaksi dengan spin nuklir sensitif terhadap kimia lokasi ikatan. Gambar dengan kredit QNS.
Kami menggunakan resonansi spina elektron yang teresolusi spina (ESR) dengan ujung STM sebagai sonda dan antena. Dengan menyesuaikan frekuensi mikrogelombang ke laju precesi elektron—milyaran siklus per detik—kami mendeteksi perpindahan frekuensi resonansi yang mencerminkan perubahan halus dalam medan magnet lokal. Metode ini memungkinkan kami untuk menyelesaikan keadaan spin tunggal atom sambil sekaligus mencitrakan posisinya dan jaring di sekitarnya, menyediakan pandangan yang tidak pernah sebelumnya tentang interaksi magnetis pada skala atom.
Sebelumnya, kami menggunakan teknik ini untuk memetakan medan magnet dari atom besi dan titan tetangga pada permukaan. Kami juga menemukan bahwa atom holmium terisolasi bertindak sebagai memori magnetis skala nano yang stabil. Studi dasar ini berkumulan pada kemajuan saat ini, di mana kami berhasil mengukur magnetisme satu inti dan mengekstrak informasi isotopnya.
Paper: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface
