Mesure de la signature magnétique du noyau d'un atome unique

IBM Research – Almaden, situé dans la Silicon Valley, a mesuré pour la première fois le champ magnétique généré par le noyau d'un atome unique. La découverte, publiée dans la revue Science, démontre que l'influence magnétique subtile d'un noyau peut être détectée via son effet sur les électrons environnants. Cette technique fournit des informations isotopiques — spécifiquement le nombre de neutrons — et cartographie comment l'aimantation d'un atome change avec son environnement atomique local. Le résultat ouvre une nouvelle frontière pour la détection à l'échelle nanométrique et constitue une avancée décisive vers les dispositifs spintroniques basés sur le noyau.

Figure 1 : Schéma de l'expérience. Chaque boule rouge représente un atome magnétique lié à une surface. Certains possèdent naturellement un spin nucléaire, un minuscule aimant, dans leur cœur. La pointe acérée d'un STM sonde un atome magnétique unique. Image fournie par QNS.

En collaboration avec le Center for Quantum Nanoscience (QNS), l'Université d'Oxford et le Laboratoire international de nanotechnologie ibérique, nous avons positionné des atomes isolés de fer et de titane sur un substrat méticuleusement préparé. Les mesures ont été effectuées avec un microscope à effet tunnel (STM) — l'instrument d'IBM récompensé par le prix Nobel — qui utilise une pointe métallique nanométrique pour imager et manipuler des atomes individuels avec une précision atomique.

En 2021, notre équipe a démontré la capacité de détecter le magnétisme électronique d'un atome et de l'exploiter comme sonde magnétique nanométrique. S'appuyant sur ce travail, nous avons maintenant poussé la sensibilité au niveau nucléaire, révélant la signature magnétique bien plus faible du cœur de l'atome.

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 fournie par QNS.

L'interaction hyperfine — le couplage entre le spin nucléaire et les états électroniques — fournit un conduit pour détecter le magnétisme nucléaire. Nous avons observé que le déplacement d'un unique atome ou le rapprochement d'un second atome modifiait la séparation hyperfine. En utilisant le STM pour repositionner des atomes individuels, nous avons démontré que cette interaction est hautement sensible à l'environnement de liaison chimique. Par exemple, un atome de titane lié à quatre voisins présentait un signal hyperfine nettement plus fort que lorsqu'il était isolé au sommet d'un unique atome d'oxygène. Les données ont également révélé que les atomes magnétiques voisins modulent l'interaction, illustrant ainsi comment le magnétisme combiné suit les règles de la mécanique quantique.

Figure 3 : Deux atomes de fer, vus comme des collines bleues dans les images du bas, ayant différents isotopes. L'atome de droite est l'isotope fer-57, qui possède un spin nucléaire. Par conséquent, deux pics sont observés dans son spectre d'énergie, correspondant aux deux orientations possibles du spin du noyau. Image fournie par QNS.

Le noyau d'un atome se compose de protons et de neutrons ; le nombre de protons définit l'élément, tandis que l'arrangement des neutrons donne naissance à différents isotopes. Le magnétisme nucléaire provient du spin — une propriété quantique qui se comporte comme une minuscule sphère chargée en rotation. Seuls certains isotopes possèdent un spin nucléaire, produisant un champ magnétique infime comparable à celui du noyau de la Terre. Détecter ce champ est exceptionnellement difficile ; l'IRM conventionnelle, par exemple, repose sur le signal collectif de billions de noyaux.

Figure 4 : Spectres d'énergie mesurés sur des atomes de titane individuels. Deux isotopes ont un spin nucléaire élevé et affichent donc plusieurs pics, un pic pour chaque orientation du noyau. Image fournie par QNS.

Pour sonder un unique noyau, nous exploitons le champ magnétique de ses électrons environnants. Bien que les spins électroniques génèrent un champ environ mille fois plus fort que celui d'un noyau, les mesurer au niveau d'un seul atome reste exigeant. Notre approche combine des températures ultra-basses, l'isolation des vibrations et le vide cryogénique pour maintenir les atomes immobiles et les mesures exemptes de bruit.

Figure 5 : Un unique 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 fournie par QNS.

Nous employons la résonance de spin électronique (ESR) résolue en spin avec la pointe STM comme sonde et antenne. En accordant la fréquence micro-onde au taux de précession de l'électron — des milliards de cycles par seconde — nous détectons les décalages de la fréquence de résonance qui reflètent de subtils changements dans le champ magnétique local. Cette méthode nous permet de résoudre l'état de spin d'un atome unique tout en imageant simultanément sa position et le réseau environnant, offrant une vue sans précédent des interactions magnétiques à l'échelle atomique.

Auparavant, nous avons utilisé cette technique pour cartographier les champs magnétiques d'atomes de fer et de titane voisins sur la surface. Nous avons également découvert que des atomes d'holmium isolés agissent comme des mémoires magnétiques stables à l'échelle nanométrique. Ces études fondamentales ont abouti à la percée actuelle, où nous avons réussi à mesurer le magnétisme d'un noyau individuel et à en extraire l'information isotopique.

Article : Hyperfine interaction of individual atoms on a surface