I ricercatori dell'IBS Center for Quantum Nanoscience della Ewha Womans University (QNS) hanno dimostrato che gli atomi di disprosio poggiati su un sottile strato isolante di ossido di magnesio hanno stabilità magnetica per giorni. In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura hanno dimostrato che questi minuscoli magneti hanno un'estrema robustezza contro le fluttuazioni del campo magnetico e della temperatura e si capovolgono solo quando vengono bombardati con elettroni ad alta energia da un microscopio a scansione a effetto tunnel.

Utilizzando questi magneti a atomo singolo ultra stabili e tuttavia commutabili, il team ha mostrato il controllo su scala atomica del campo magnetico all'interno di architetture quantistiche costruite artificialmente. "La sintonizzabilità su scala atomica e l'ingegneria di precisione dei campi magnetici mostrati in questo lavoro aggiungono un nuovo paradigma per i dispositivi di logica quantistica e il calcolo quantistico, " afferma la dott.ssa Aparajita Singha che ha condotto la ricerca come post-doc presso il QNS ed è ora capogruppo presso il Max Planck Institute for Solid State Research.

Sebbene il magnetismo sorga a livello dei singoli atomi, chiamati anche giri spaiati, i piccoli ammassi atomici sono generalmente magneticamente molto instabili senza un attento controllo dell'ambiente circostante. Comprendere le proprietà magnetiche su scale così piccole è un problema di fisica fondamentale, che è diventato tecnicamente molto importante per la creazione di qubit, i mattoni per il calcolo quantistico.

Il magnetismo su scale così piccole può essere studiato e controllato utilizzando il tunneling quantistico attraverso sonde di elettrodi affilati in un microscopio a effetto tunnel (STM). L'impronta digitale di questi spin atomici può essere misurata utilizzando la risonanza di spin elettronico di un singolo atomo (ESR). Il team di ricerca di QNS ha combinato l'uso di queste potenti tecniche per trovare le giuste condizioni per ottenere il magnete a singolo atomo robusto e tanto ricercato.

"Creare i magneti ultra stabili più piccoli è stato tutt'altro che un piccolo sforzo. Occorreva operare ai limiti delle tecniche di misurazione e trovare le condizioni giuste. Su un substrato di MgO a doppio strato, l'atomo di Dy è quasi isolato ma sente ancora abbastanza direzionalità per mantenere una polarità definita per giorni, " secondo il dottor Singha.

Per poter congelare singoli atomi e misurare i loro minuscoli segnali, il team ha creato un ambiente fisico estremo, tra cui:(a) temperature 1000 volte inferiori alla temperatura ambiente, in cui gli atomi smettono di andare alla deriva sulle superfici, (b) vuoto più forte dello spazio vuoto, in modo che gli atomi non vengano contaminati da impurità che altrimenti distorcerebbero i nostri risultati, e (c) superfici cristalline ultrapulite con quasi niente sopra se non i singoli atomi desiderati. Per quanto riguarda lo strumento stesso, hanno raccolto singoli atomi di Fe (ferro) uno per uno sulla punta dell'STM fino a raggiungere un rapporto segnale-rumore sufficiente nell'ESR, anche in assenza di qualsiasi campo magnetico esterno (generalmente 30-50 atomi). Poiché gli stati elettronici di un magnete Dy-atom ultrastabile (4f orbitali) sono troppo schermati per le misurazioni STM, i ricercatori hanno misurato la sua proiezione del campo magnetico su un sensore più facilmente misurabile Fe-atomo, posizionati in posizioni definite sulla stessa superficie. Usando la stessa punta STM, hanno anche disposto singoli magneti Dy-atomo in diverse posizioni reticolari del substrato cristallino attorno all'atomo di Fe del sensore. Il capovolgimento deliberato dei singoli magneti Dy-atom ha modificato il campo magnetico nella posizione dell'atomo di Fe del sensore con una precisa discrezione, che è stato poi misurato per essere stabile per giorni utilizzando ESR.

I magneti a singolo atomo ultrastabili commutabili posizionati in posizioni atomicamente precise forniscono una cassetta degli attrezzi per un controllo estremamente locale ma preciso dei campi magnetici. Una volta impostato lo stato magnetico, viene mantenuto automaticamente senza bisogno di enormi e costosi magneti esterni. Il dottor Singha ha concluso che, "la sintonizzabilità su scala atomica del campo magnetico è un potente strumento di controllo per i futuri circuiti quantistici basati sulla superficie".