Avance de IBM: Control del magnetismo de un solo átomo de cobre mediante RMN

Investigadores de IBM han desarrollado una técnica que controla con precisión el magnetismo de un único átomo de cobre, sentando las bases para el almacenamiento de datos a escala atómica y la computación cuántica.

En una publicación reciente en Nature Nanotechnology, se demostró que la resonancia magnética nuclear (RMN) puede aplicarse a un solo núcleo de cobre, el mismo principio que sustenta la imagen por resonancia magnética (IRM) y el análisis estructural de moléculas.

Es la primera vez que se logra RMN de un solo átomo utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), la invención ganadora del Nobel de IBM que permite imaginar y posicionar átomos individualmente. Al desplazar la punta ultraafilada del STM sobre una superficie, el instrumento detecta la forma de átomos individuales e incluso los reposiciona para estudiar cómo varían las señales de RMN con su entorno local.

Realizar RMN en un solo átomo requiere dos pasos clave: primero, polarizar la orientación magnética del núcleo; segundo, manipular esa orientación aplicando pulsos de radiofrecuencia directamente desde la punta del STM, sintonizados a la frecuencia de resonancia natural del núcleo.

El átomo de cobre con un corazón magnético

El cobre es ubicuo —desde cableado eléctrico hasta circuitos de microchips— gracias a su excepcional conductividad. Aunque el cobre en masa es diamagnético y no es atraído por imanes, un átomo de cobre aislado puede exhibir magnetismo cuando no está rodeado por otros átomos de cobre.

A escala atómica, un átomo de cobre solitario se vuelve magnético porque sus electrones desemparejados orbitan el núcleo —su «corazón»— y generan un campo magnético. Al unir el átomo de cobre a una superficie de óxido de magnesio cuidadosamente elegida, la interacción hiperfina entre el electrón y el núcleo alinea sus momentos magnéticos, creando una señal magnética detectable.

Aprovechando el magnetismo nuclear

El momento magnético nuclear es extremadamente débil, por lo que su orientación fluctúa con el movimiento térmico incluso a temperaturas criogénicas. En la IRM, un campo externo grande alinea miles de millones de núcleos, pero el ruido térmico sigue limitando la intensidad de la señal. Para controlar un solo núcleo, se utiliza el electrón circundante como mediador: su acoplamiento hiperfino empuja al núcleo a la orientación deseada y luego se lee el estado resultante a través del mismo electrón.

La punta del STM está especialmente diseñada con un solo átomo de hierro en su vértice, lo que permite la entrega precisa de energía de radiofrecuencia y la detección de la tenue señal nuclear.

RMN de un solo átomo mediante inicialización controlada por corriente

Al hacer pasar una corriente eléctrica a través de la punta del STM, se transfiere la orientación magnética de la punta al núcleo de cobre —un enfoque análogo al par de transferencia de espín utilizado en la tecnología de memoria MRAM. Una vez inicializado el núcleo, se lee su estado explotando la resonancia de espín electrónico (ESR) en el mismo átomo, una técnica refinada en un estudio de 2023.

Se avanzó aún más al demostrar que una onda de radio transmitida desde la punta del STM puede inducir RMN en un solo núcleo de cobre. El núcleo, al ser magnético, precesa en el campo externo como una peonza giratoria, y sus cuatro orientaciones posibles corresponden a estados cuánticos distintos. Al sintonizar la radiofrecuencia a la frecuencia de resonancia del núcleo, se puede rotar su espín con alta precisión.

Esta capacidad —que combina posicionamiento a escala atómica, RMN de un solo átomo y control eléctrico— abre una vía para construir dispositivos magnéticos y electrónicos nanométricos que aprovechen los espines nucleares para el procesamiento de información cuántica.

Referencia

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)