I ricercatori del Center for Quantum Nanoscience (QNS) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) in Corea del Sud hanno compiuto un importante passo avanti scientifico rilevando il magnetismo nucleare, o "spin nucleare" di un singolo atomo. In una collaborazione internazionale con IBM Research, l'Università di Oxford e l'International Iberian Nanotechnology Laboratory, Gli scienziati del QNS hanno utilizzato per la prima volta tecniche innovative e avanzate per misurare lo spin nucleare dei singoli atomi sulle superfici.

Normalmente lo spin nucleare, che descrive il magnetismo del nucleo dell'atomo, possono essere rilevati solo in numeri molto grandi. Le scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Scienza , mostrano che questo è ora possibile anche per singoli atomi su una superficie. Per farlo, il team ha utilizzato un microscopio a scansione a tunnel presso IBM Research, che consiste in una punta di metallo atomicamente affilata e consente ai ricercatori di visualizzare e sondare singoli atomi.

I due elementi che sono stati indagati in questo lavoro, ferro e titanio, sono atomi che possono avere un diverso numero di neutroni nel nucleo dell'atomo, questi sono i cosiddetti isotopi. Solo alcuni isotopi di ciascun elemento hanno un nucleo con spin nucleare. Normalmente è estremamente difficile misurare gli spin nucleari dei singoli atomi. Tradizionalmente è richiesto un numero elevato di spin nucleari, rendendo questo progresso così degno di nota.

Per rilevare la presenza di uno spin nucleare all'interno del nucleo di un singolo atomo, il team ha utilizzato l'interazione iperfine. Questo fenomeno descrive l'accoppiamento tra lo spin nucleare di un singolo atomo e la sua controparte elettronica, che è generalmente molto più facile da accedere. Dr. Philip Willke del Center for Quantum Nanoscience (QNS), primo autore dello studio, dice:"Abbiamo scoperto che l'interazione iperfine di un atomo cambiava quando lo spostavamo in una posizione diversa sulla superficie o se spostavamo altri atomi accanto ad esso. In entrambi i casi, la struttura elettronica dell'atomo cambia e lo spin nucleare ci permette di rilevarlo."

I ricercatori intendono utilizzare questa sensibilità dell'interazione iperfine all'interno dell'ambiente chimico come sensore quantistico. "Gli spin nucleari sono già utilizzati per l'imaging biologico nelle macchine per la risonanza magnetica negli ospedali". dice il dottor Yujeong Bae anche di QNS, un coautore in questo studio. "Allo stesso modo, nel nostro esperimento lo spin nucleare ci permette di misurare proprietà della struttura elettronica di atomi e molecole che altrimenti rimarrebbero nascoste".

A lungo termine, i ricercatori del QNS vogliono immagazzinare informazioni nella rotazione nucleare dell'atomo. L'anno scorso, la stessa collaborazione con IBM è riuscita a memorizzare, leggendo e scrivendo un po' di informazioni digitali usando lo spin dell'elettrone di un solo atomo di olmio. Allo stesso modo, gli spin nucleari potrebbero servire come bit su scala subatomica. Il team prevede inoltre di utilizzare la loro tecnica per testare i percorsi per il calcolo quantistico. Mentre ancora in fase di sviluppo iniziale, il calcolo quantistico promette di superare di gran lunga i computer classici in compiti come la gestione di database, ricerca, e ottimizzazione. Gli spin nucleari sono ottimi candidati per questi bit quantistici, poiché sono ben isolati dall'ambiente attraverso il guscio atomico, un requisito per i dispositivi di informazione quantistica.

"Sono molto entusiasta di questi risultati. È sicuramente una pietra miliare nel nostro campo e ha implicazioni molto promettenti per la ricerca futura". afferma il prof. Andreas Heinrich, Direttore del QNS. "Rivolgendoci ai singoli spin nucleari possiamo acquisire una conoscenza più approfondita della struttura della materia e aprire nuovi campi di ricerca di base".