Détection du magnétisme du noyau d'un seul atome

Notre équipe d'IBM Research − Almaden dans la Silicon Valley a détecté le magnétisme du noyau d'un seul atome, un exploit qui ouvre la porte à l'utilisation du noyau comme moyen de détecter et de contrôler le magnétisme à l'échelle atomique. Cette percée, récemment publiée dans la revue Science , a été obtenu en mesurant l'effet magnétique du noyau sur les électrons d'un même atome. L'étude révèle des informations sur l'isotope - le nombre de neutrons dans le noyau d'un atome - et comment l'aimantation de l'atome dépend de ses atomes voisins, fournissant un nouvel outil puissant pour la détection à l'échelle nanométrique et présentant une étape majeure vers l'utilisation du noyau pour la future spintronique. .

Figure 1 :Croquis de l'expérience. Chaque boule rouge représente un atome magnétique lié à une surface. Certains ont naturellement un spin nucléaire, un petit aimant, dans leur noyau. La pointe acérée d'un STM sonde un seul atome magnétique. Image reproduite avec l'aimable autorisation de QNS.

En travaillant avec une équipe internationale de collaborateurs comprenant le Center for Quantum Nanoscience (QNS), l'Université d'Oxford et le International Iberian Nanotechnology Laboratory, nous avons mesuré des atomes de fer et de titane qui étaient attachés à une surface soigneusement préparée. Nous avons utilisé un microscope à effet tunnel (STM), l'invention IBM lauréate du prix Nobel qui utilise la pointe d'une aiguille métallique pointue pour balayer une surface afin d'imager et déplacer des atomes individuels avec une grande précision.

Il y a trois ans, notre groupe a montré que nous pouvions détecter le magnétisme des électrons d'un seul atome et utiliser sa sensibilité aux champs magnétiques pour détecter et mesurer les propriétés des atomes magnétiques proches à la surface. Maintenant, nous avons étendu cela pour détecter le magnétisme beaucoup plus petit du noyau.

Figure 2 :Image au microscope à effet tunnel de la surface d'oxyde de magnésium, où les petites protubérances sont des atomes de fer individuels. Image reproduite avec l'aimable autorisation de QNS.

L'interaction entre le noyau d'un atome et ses électrons, appelée interaction hyperfine, permet de détecter le magnétisme du noyau. L'interaction hyperfine au sein de chaque atome a changé lorsque nous avons déplacé l'atome vers une position différente ou si nous avons déplacé un autre atome à proximité. Nous avons utilisé le STM pour repositionner des atomes individuels et montrer que l'interaction hyperfine dépend fortement de la liaison chimique avec d'autres atomes. Par exemple, un atome de titane lié à quatre atomes voisins a produit une interaction hyperfine beaucoup plus forte que le même atome de titane perché au sommet d'un seul atome d'oxygène. De plus, nous avons constaté que la force de l'interaction hyperfine dépend de la présence d'atomes magnétiques voisins, elle révèle donc comment le magnétisme des deux atomes se combine selon les règles de la mécanique quantique.

Figure 3 :Deux atomes de fer, vus comme des collines bleues dans les images inférieures, ayant des isotopes différents. L'atome de droite est l'isotope fer-57, qui a un spin nucléaire. De ce fait, deux pics sont observés dans son spectre d'énergie, correspondant aux deux orientations possibles pour le spin du noyau. Image reproduite avec l'aimable autorisation de QNS.

Le noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons, et le nombre de protons détermine à quel élément se trouve l'atome. Le magnétisme du noyau provient d'une propriété appelée « spin » car il se comporte un peu comme une boule de charge électrique en rotation. Seuls certains isotopes ont un noyau avec un spin, et ce spin produit un petit champ magnétique, tout comme la terre a un champ magnétique dû à la charge électrique qui circule profondément dans son noyau. Le champ magnétique du spin nucléaire est si minuscule qu'il est difficile à détecter, sauf lorsque plusieurs millions sont mesurés en même temps. C'est la base de la machine d'imagerie médicale IRM, qui mesure plusieurs billions de spins nucléaires pour chaque point des images résultantes.

Figure 4 :Spectres d'énergie mesurés sur des atomes individuels de titane. Deux isotopes ont un spin nucléaire élevé et présentent donc plusieurs pics, un pic pour chaque orientation du noyau. Image reproduite avec l'aimable autorisation de QNS.

Pour détecter la rotation d'un simple noyau, nous utilisons les électrons qui entourent le noyau – ensemble, le noyau et les électrons forment un atome. Ces électrons ont aussi un spin. Pour les électrons, le spin produit un champ magnétique environ mille fois plus grand que pour le noyau. Cela rend la détection des électrons beaucoup plus facile, mais reste extrêmement difficile à détecter pour un seul atome à la fois.

Nous utilisons une forme avancée de microscopie à effet tunnel qui fonctionne dans des conditions ultra-froides, propres et sans vibration pour garantir que les atomes restent en place et que les mesures sensibles ne sont pas perturbées par la chaleur, les débris ou le bruit.

Notre équipe détecte le spin d'un seul atome en utilisant une technique ultra-sensible appelée résonance de spin dans laquelle nous utilisons la pointe du STM pour trouver et sélectionner un seul atome à examiner. Ensuite, nous utilisons la résonance de spin électronique (ESR), qui détecte la vitesse de rotation du pôle nord de l'électron. Cette rotation est appelée précession, et le pôle nord se déplace un peu comme l'axe d'une toupie placée sur une table, qui tourne lentement pour pointer dans différentes directions. Pour un électron, la précession se produit des milliards de fois par seconde, et la fréquence de précession est appelée fréquence de résonance. Cette fréquence change en réponse à des changements subtils du champ magnétique subis par l'atome. La réalisation d'ESR à l'aide d'un microscope à effet tunnel nous permet de mesurer le spin tout en voyant la position de l'atome et de ceux auxquels il est lié, ainsi que les atomes plus éloignés qui l'influencent subtilement, révélant des informations inestimables sur l'interaction magnétique au niveau de l'atome unique. échelle, ce qui est essentiel pour concevoir des appareils électroniques avancés composés de plusieurs atomes.

Figure 5 :Un seul atome de titane est déplacé vers trois positions différentes sur la surface. Cela modifie le spectre, car l'interaction avec le spin nucléaire est sensible à la chimie du site de liaison. Image reproduite avec l'aimable autorisation de QNS.

En utilisant la résonance de spin, un seul atome sert à une sonde sensible du champ magnétique, juste à la position de l'atome. Notre équipe l'utilisait auparavant pour détecter le champ magnétique des atomes proches placés à la surface. Dans ces études, nous avons utilisé des atomes de fer et de titane, qui ont chacun des propriétés uniques. Nous avons même découvert que les atomes individuels de l'élément holmium agissent comme de minuscules aimants permanents afin de pouvoir stocker des informations. Ces avancées ont toutes conduit à notre dernière percée, dans laquelle nous détectons le magnétisme du noyau et les informations qu'il révèle.

Papier :Interaction hyperfine d'atomes individuels sur une surface