Il nostro team di IBM Research ha sviluppato una nuova tecnica per controllare il magnetismo di un singolo atomo di rame, una tecnologia che un giorno potrebbe consentire ai singoli nuclei atomici di immagazzinare ed elaborare informazioni.

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura , il nostro team ha dimostrato che possiamo controllare il magnetismo del nucleo di un singolo atomo eseguendo la risonanza magnetica nucleare (NMR) un atomo alla volta. La RMN è il processo che sta alla base della risonanza magnetica, o risonanza magnetica, la tecnica che rivela in modo non invasivo immagini del corpo finemente dettagliate. L'NMR è anche uno strumento fondamentale utilizzato per determinare le strutture delle molecole.

Questa è la prima volta che la risonanza magnetica nucleare viene ottenuta utilizzando un microscopio a effetto tunnel a scansione (STM), l'invenzione IBM, vincitrice del premio Nobel, che consente di visualizzare e spostare gli atomi individualmente, un importante passo avanti perché l'STM può visualizzare e posizionare ciascun atomo per studiare come l'NMR cambia e risponde all'ambiente locale. Scansionando la punta ultra affilata dell'ago metallico dell'STM sulla superficie, l'STM può percepire la forma dei singoli atomi e può trascinare o trasportare gli atomi nelle disposizioni desiderate.

L'esecuzione di NMR su un singolo atomo richiede due passaggi principali. Primo, abbiamo polarizzato (orientato in una direzione ben definita) la direzione magnetica del nucleo. Quindi, abbiamo manipolato il magnetismo del nucleo applicando onde radio provenienti dalla punta di un ago metallico appuntito. Le onde radio sono sintonizzate proprio sulla frequenza naturale del nucleo.

L'atomo di rame dal cuore magnetico

Il rame è abbondante e ampiamente utilizzato nella nostra vita quotidiana, dai cablaggi elettrici nelle abitazioni al collegamento dei singoli circuiti in microchip. L'utilità del rame metallico deriva dalla sua eccezionale capacità di condurre elettricità. Le proprietà magnetiche del rame sono molto meno conosciute:non vediamo mai un pezzo di rame attratto da un magnete. Ma il magnetismo del rame prende vita quando i singoli atomi di rame non sono circondati da altri atomi di rame.

Quando riduci la tecnologia fino all'estremo più fondamentale - la scala atomica - un singolo atomo di rame può diventare magnetico, a seconda di come interagisce con gli atomi vicini che contengono il rame. Nel nostro esperimento, abbiamo reso magnetico l'atomo di rame attaccandolo a una superficie accuratamente scelta composta da ossido di magnesio. Questo magnetismo viene dagli elettroni nell'atomo di rame. Questi elettroni circolano attorno al nucleo – il “cuore” dell'atomo – che, notevolmente, è anche magnetico Quando uniamo due calamite da frigo, o si attraggono o si respingono. Fisica simile vale per il magnete elettronico e il magnete nucleare, e la forza magnetica tra di loro tende ad allinearli, quindi puntano nella stessa direzione. Il termine tecnico per questa forza magnetica all'interno dell'atomo è interazione iperfine.

Come sfruttare il magnetismo del nucleo

Il debole segnale magnetico del nucleo lo rende difficile da rilevare e controllare. Il magnete nucleare è così piccolo che il suo orientamento fluttua casualmente a causa del calore, anche quando raffreddato a temperature estremamente basse come nei nostri esperimenti. Questo rende difficile controllare la direzione magnetica del nucleo, chiamato il suo "giro, " per utilizzarlo per elaborare le informazioni e rilevare altri magneti. Nell'imaging MRI, un campo magnetico molto grande viene utilizzato per allineare i nuclei negli atomi del tuo corpo in modo che puntino in una direzione. Ma il calore interrompe questo allineamento, quindi i nuclei puntano quasi in direzioni casuali, con solo una leggera tendenza a seguire il campo. Di conseguenza, molti trilioni di atomi sono necessari nella risonanza magnetica per produrre un segnale misurabile. Per controllare il nucleo di un singolo atomo, deve essere allineato in modo molto più prevedibile, una grande sfida. Quindi ogni atomo deve essere rilevato individualmente per rilevare un segnale NMR.

Per superare queste sfide, usiamo l'elettrone che orbita intorno al nucleo come messaggero oltre che come manager. L'elettrone all'interno dell'atomo di rame "parla" con il nucleo attraverso l'interazione iperfine, per spingere il nucleo a puntare nella direzione desiderata, e quindi rileva la direzione risultante. Rilevando e controllando l'elettrone di rame utilizzando la corrente elettrica, rileviamo e controlliamo il magnetismo nucleare di un singolo atomo di rame.

Il nostro atomo di rame è attaccato a una superficie scelta con cura, ossido di magnesio, che ci permette di sondare il magnetismo del rame. Per affrontare il magnetismo nucleare di un singolo atomo di rame, il nostro team ha sviluppato una punta magnetica specializzata per il microscopio posizionando un singolo atomo di ferro al suo apice estremo, che rende possibile manipolare e rilevare il magnetismo molto debole del singolo nucleo atomico.

NMR a singolo atomo con inizializzazione controllata dalla corrente

Utilizzando semplicemente una corrente elettrica, siamo in grado di trasferire l'orientamento magnetico della punta dell'STM all'orientamento magnetico del nucleo di un atomo di rame - il nucleo. Questo è simile alla tecnica della coppia di trasferimento di spin, il metodo utilizzato per scrivere informazioni su bit magnetici nella memoria del computer di nuova generazione nota come MRAM. L'animazione sopra illustra come il magnetismo viene trasferito al nucleo. Dopo che il nucleo è stato impostato sull'orientamento desiderato, dobbiamo leggere ad alta voce il segnale appena tangibile dell'orientamento nucleare. Per fare questo, usiamo lo spin dell'elettrone che risiede sullo stesso atomo come trasmettitore, basandosi su un precedente documento pubblicato il mese scorso. Usiamo una tecnica chiamata "Electron Spin Resonance (ESR)" applicata a singoli atomi, una capacità sviluppata nel laboratorio IBM Research – Almaden tre anni fa.

Il nostro team ha compiuto un secondo grande passo in questo lavoro dimostrando l'NMR di un singolo atomo, utilizzando un'onda radio trasmessa all'atomo attraverso la punta del microscopio. Le tecniche NMR sono ampiamente utilizzate per studiare la struttura delle molecole e per visualizzare le strutture interne del corpo umano. Poiché il nucleo di rame è magnetico, un campo magnetico esercita una forza che lo fa elaborare, simile a una trottola che traccia superfici a forma di cono mentre precedono nel campo gravitazionale terrestre. I minuscoli nuclei di rame "roteanti" possono orientarsi solo in quattro modi diversi rispetto al campo magnetico, secondo le leggi della meccanica quantistica. Ecco perché nella figura e nell'animazione si vedono quattro coni associati al nucleo. Sintonizzando la frequenza dell'onda radio emessa dalla punta acuminata di STM, alla frequenza caratteristica di precessione dell'"antenna nucleare, " siamo in grado di ruotare in modo risonante l'orientamento dello spin nucleare.

Combineremo questa nuova capacità di controllare lo spin del nucleo con la capacità dell'STM di organizzare gli atomi per costruire e sondare dispositivi elettronici e magnetici che operano su scala atomica, con l'obiettivo di utilizzare gli spin nucleari per elaborare le informazioni quantistiche.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di IBM Research. Leggi la storia originale qui.