Percée d'IBM : contrôle du magnétisme d'un atome de cuivre unique par RMN

IBM Research a mis au point une technique qui contrôle précisément le magnétisme d'un unique atome de cuivre, posant les bases d'un stockage de données à l'échelle atomique et du calcul quantique.

Dans une publication récente dans Nature Nanotechnology, nous avons démontré que la résonance magnétique nucléaire (RMN) peut être appliquée à un unique noyau de cuivre, une méthode qui sous-tend l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'analyse structurale des molécules.

C'est la première fois que la RMN sur un seul atome est réalisée à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), l'invention d'IBM récompensée par le prix Nobel qui permet d'imager et de positionner les atomes individuellement. En balayant la pointe ultra-fine de l'aiguille métallique du STM sur une surface, l'instrument peut détecter la forme d'atomes uniques et même les repositionner pour étudier comment les signaux RMN varient selon leur environnement local.

La réalisation de RMN sur un seul atome nécessite deux étapes clés : d'abord, nous polarisons l'orientation magnétique du noyau ; ensuite, nous manipulons cette orientation en délivrant des impulsions de radiofréquence directement depuis la pointe du STM, accordées à la fréquence de résonance naturelle du noyau.

L'atome de cuivre au cœur magnétique

Le cuivre est omniprésent — du câblage électrique aux circuits des puces — grâce à sa conductivité exceptionnelle. Si le cuivre en vrac est diamagnétique et n'est pas attiré par les aimants, un atome de cuivre isolé peut présenter un magnétisme lorsqu'il n'est pas entouré d'autres atomes de cuivre.

Vue d'artiste du magnétisme nucléaire d'un unique atome de cuivre. Les cônes représentent différentes orientations du pôle nord magnétique du noyau (à gauche) et de l'électron (à droite). Le ressort rouge illustre leur couplage magnétique. Un courant de pointe STM contrôle le magnétisme de l'atome.

À l'échelle atomique, un atome de cuivre isolé devient magnétique car ses électrons non appariés orbitent autour du noyau — son « cœur » — et génèrent un champ magnétique. Lorsque nous avons lié l'atome de cuivre à une surface d'oxyde de magnésium soigneusement choisie, l'interaction hyperfine résultante entre l'électron et le noyau a aligné leurs moments magnétiques, créant un signal magnétique détectable.

Exploiter le magnétisme nucléaire

Le moment magnétique nucléaire est extrêmement faible, si bien que son orientation fluctue avec l'agitation thermique même à des températures cryogéniques. En IRM, un champ externe intense aligne des milliards de noyaux, mais le bruit thermique limite encore la force du signal. Pour contrôler un unique noyau, nous utilisons l'électron environnant comme médiateur : son couplage hyperfine pousse le noyau dans une orientation désirée, et nous lisons ensuite l'état résultant via le même électron.

Notre pointe STM est spécialement conçue avec un unique atome de fer à son apex, permettant la délivrance précise d'énergie radiofréquence et la détection du faible signal nucléaire.

RMN monoatomique par initialisation contrôlée par courant

En faisant passer un courant électrique à travers la pointe STM, nous transférons l'orientation magnétique de la pointe au noyau de cuivre — une approche analogue au couple de transfert de spin utilisé dans la technologie de mémoire MRAM. Une fois le noyau initialisé, nous lisons son état en exploitant la résonance de spin électronique (ESR) sur le même atome, une technique que nous avons affinée dans une étude de 2023.

Vue d'artiste d'atomes de cuivre uniques (rouge) sur une surface d'oxyde de magnésium. La pointe STM (pyramide grise) sonde un atome de cuivre en y faisant circuler un courant électrique.

Nous avons fait progresser ce travail en démontrant qu'une onde radio émise depuis la pointe STM peut induire une RMN dans un unique noyau de cuivre. Le noyau, étant magnétique, précesse dans le champ externe comme une toupie, et ses quatre orientations possibles correspondent à des états quantiques distincts. En accordant la radiofréquence à la fréquence de résonance du noyau, nous pouvons faire pivoter son spin avec une grande précision.

Cette capacité — combinant positionnement à l'échelle atomique, RMN monoatomique et contrôle électrique — ouvre la voie à la construction de dispositifs magnétiques et électroniques à l'échelle nanométrique qui exploitent les spins nucléaires pour le traitement de l'information quantique.

Référence

Electrically controlled nuclear polarization of individual atoms, Kai Yang, Philip Willke, Yujeong Bae, Alejandro Ferrón, Jose L. Lado, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández‑Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)