En accord avec le cœur d'un atome de cuivre

Notre équipe d'IBM Research a développé une nouvelle technique pour contrôler le magnétisme d'un seul atome de cuivre, une technologie qui pourrait un jour permettre aux noyaux atomiques individuels de stocker et de traiter des informations.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnology , notre équipe a démontré que nous pouvons contrôler le magnétisme du noyau d'un seul atome en effectuant la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) un atome à la fois. La RMN est le processus qui sous-tend l'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, la technique qui révèle de manière non invasive des images détaillées du corps. La RMN est également un outil essentiel utilisé pour déterminer les structures des molécules.

C'est la première fois que la RMN est réalisée à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), l'invention IBM lauréate du prix Nobel qui permet de visualiser et de déplacer les atomes individuellement, une avancée importante car le STM peut imager et positionner chaque atome pour étudier comment la RMN change et répond à l'environnement local. En balayant la pointe ultra-pointue de l'aiguille métallique du STM sur toute la surface, le STM peut détecter la forme d'atomes isolés et peut tirer ou transporter des atomes dans les arrangements souhaités.

Effectuer une RMN sur un seul atome nécessite deux étapes principales. Tout d'abord, nous avons polarisé (orienté dans une direction bien définie) la direction magnétique du noyau. Ensuite, nous avons manipulé le magnétisme du noyau en appliquant des ondes radio émanant de la pointe d'une aiguille métallique pointue. Les ondes radio sont réglées précisément sur la fréquence naturelle du noyau.

L'atome de cuivre au cœur magnétique

Le cuivre est abondant et largement utilisé dans notre vie quotidienne, du câblage électrique dans les maisons au raccordement de circuits individuels dans des puces électroniques. L'utilité du cuivre métallique provient de sa capacité exceptionnelle à conduire l'électricité. Les propriétés magnétiques du cuivre sont beaucoup moins bien connues - on ne voit jamais un morceau de cuivre attiré par un aimant. Mais le magnétisme du cuivre prend vie lorsque les atomes de cuivre individuels ne sont pas entourés d'autres atomes de cuivre.

Un artiste vue du magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre. Les cônes représentent différentes orientations du pôle nord magnétique du noyau (à gauche) et de l'électron (à droite) dans l'atome de cuivre. Le noyau et l'électron sont liés magnétiquement (ressort rouge). Le courant électrique de la pointe STM (illustré à droite) contrôle le magnétisme de l'atome.

Lorsque vous réduisez la technologie à l'extrême le plus fondamental - l'échelle atomique - un seul atome de cuivre peut devenir magnétique, selon la façon dont il interagit avec les atomes voisins qui contiennent le cuivre. Dans notre expérience, nous avons rendu l'atome de cuivre magnétique en le fixant à une surface soigneusement choisie composée d'oxyde de magnésium. Ce magnétisme provient des électrons de l'atome de cuivre. Ces électrons circulent autour du noyau – le « cœur » de l'atome – qui, fait remarquable, est lui aussi magnétique. Lorsque nous assemblons deux aimants pour réfrigérateur, ils s'attirent ou se repoussent. Une physique similaire s'applique à l'aimant électronique et à l'aimant nucléaire, et la force magnétique entre eux a tendance à les aligner, de sorte qu'ils pointent dans la même direction. Le terme technique pour cette force magnétique au sein de l'atome est interaction hyperfine.

Comment exploiter le magnétisme du noyau

Le faible signal magnétique du noyau le rend difficile à détecter et à contrôler. L'aimant nucléaire est si petit que son orientation fluctue aléatoirement en raison de la chaleur, même lorsqu'il est refroidi à une température extrêmement basse comme dans nos expériences. Cela rend difficile le contrôle de la direction magnétique du noyau, appelée son « spin », afin de l'utiliser pour traiter des informations et détecter d'autres aimants. En imagerie IRM, un très grand champ magnétique est utilisé pour aligner les noyaux des atomes de votre corps afin qu'ils pointent dans une direction. Mais la chaleur perturbe cet alignement de sorte que les noyaux pointent presque dans des directions aléatoires, avec seulement une légère tendance à suivre le champ. En conséquence, plusieurs milliers de milliards d'atomes sont nécessaires en IRM pour produire un signal mesurable. Pour contrôler le noyau d'un seul atome, il doit être aligné de manière beaucoup plus prévisible, un défi majeur. Ensuite, chaque atome doit être détecté individuellement pour détecter un signal RMN.

Pour surmonter ces défis, nous utilisons l'électron en orbite autour du noyau comme messager ainsi que gestionnaire. L'électron à l'intérieur de l'atome de cuivre "parle" avec le noyau via l'interaction hyperfine, afin de pousser le noyau à pointer dans la direction souhaitée, puis détecte la direction résultante. En détectant et en contrôlant l'électron de cuivre à l'aide d'un courant électrique, nous détectons et contrôlons le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre.

Notre atome de cuivre est attaché à une surface soigneusement choisie, l'oxyde de magnésium, qui nous permet de sonder le magnétisme du cuivre. Pour traiter le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre, notre équipe a développé une pointe magnétique spécialisée pour le microscope en plaçant un seul atome de fer à son sommet extrême, ce qui permet de manipuler et de détecter le très faible magnétisme d'un seul noyau atomique.

RMN à un seul atome avec initialisation contrôlée par le courant

En utilisant simplement un courant électrique, nous sommes en mesure de transférer l'orientation magnétique de la pointe du STM à l'orientation magnétique du noyau d'un atome de cuivre - le noyau. Ceci est similaire à la technique du couple de transfert de spin, la méthode utilisée pour écrire des informations sur des bits magnétiques dans la mémoire informatique de nouvelle génération connue sous le nom de MRAM. L'animation ci-dessus illustre comment le magnétisme est transféré au noyau. Une fois que le noyau est réglé sur l'orientation souhaitée, nous devons lire le signal à peine tangible de l'orientation nucléaire. Pour ce faire, nous utilisons le spin de l'électron résidant sur le même atome qu'un émetteur, à partir d'un article précédent publié le mois dernier. Nous utilisons une technique appelée "Electron Spin Resonance (ESR)" appliquée à des atomes individuels, une capacité développée dans le laboratoire IBM Research - Almaden il y a trois ans.

Un artiste vue d'atomes de cuivre simples (boules rouges) attachés à une surface d'oxyde de magnésium. La pointe acérée (pyramide de boules grises) d'un STM sonde un seul atome de cuivre en y faisant circuler un courant électrique.

Notre équipe a franchi une deuxième étape importante dans ce travail en démontrant la RMN d'un seul atome, en utilisant une onde radio transmise à l'atome par la pointe du microscope. Les techniques de RMN sont largement utilisées pour étudier la structure des molécules et pour imager les structures internes du corps humain. Étant donné que le noyau de cuivre est magnétique, un champ magnétique exerce une force qui provoque son traitement, semblable à une toupie traçant des surfaces en forme de cône pendant qu'elles pénètrent dans le champ gravitationnel de la terre. Les minuscules noyaux de cuivre « en rotation » ne peuvent s'orienter que de quatre manières différentes par rapport au champ magnétique, selon les lois de la mécanique quantique. C'est pourquoi vous voyez quatre cônes associés au noyau dans la figure et l'animation. En réglant la fréquence de l'onde radio émise par la pointe acérée du STM, sur la fréquence de précession caractéristique de « l'antenne nucléaire », nous sommes en mesure de faire pivoter par résonance l'orientation du spin nucléaire.

Nous combinerons cette nouvelle capacité à contrôler le spin du noyau avec la capacité du STM à organiser les atomes pour construire et sonder des dispositifs électroniques et magnétiques qui fonctionnent à l'échelle atomique, visant à utiliser les spins nucléaires pour traiter l'information quantique.

Polarisation nucléaire contrôlée électriquement d'atomes individuels, 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)