Medición de la firma magnética del núcleo de un solo átomo

IBM Research – Almaden, ubicado en Silicon Valley, ha medido por primera vez el campo magnético generado por el núcleo de un solo átomo. El descubrimiento, publicado en la revista Science, demuestra que la sutil influencia magnética de un núcleo puede detectarse a través de su efecto en los electrones circundantes. Esta técnica proporciona información isotópica —específicamente el recuento de neutrones— y mapea cómo cambia la magnetización de un átomo con su entorno atómico local. El resultado abre una nueva frontera para la detección a nanoescala y es un avance fundamental hacia dispositivos espintrónicos basados en núcleos.

En colaboración con el Center for Quantum Nanoscience (QNS), la Universidad de Oxford y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología, se posicionaron átomos aislados de hierro y titanio sobre un sustrato meticulosamente preparado. Las mediciones se realizaron con un microscopio de efecto túnel (STM) —el instrumento ganador del Nobel de IBM— que emplea una punta metálica nanométrica para imaginar y manipular átomos individuales con precisión atómica.

En 2021, el equipo demostró la capacidad de detectar el magnetismo electrónico de un átomo y explotarlo como sonda magnética a nanoescala. Basándose en ese trabajo, ahora han llevado la sensibilidad al nivel nuclear, revelando la firma magnética mucho más débil del núcleo del átomo.

La interacción hiperfina —el acoplamiento entre el espín nuclear y los estados electrónicos— proporciona un conducto para detectar el magnetismo nuclear. Se observó que reubicar un solo átomo o acercar un segundo átomo alteraba la división hiperfina. Al usar el STM para reposicionar átomos individuales, se demostró que esta interacción es altamente sensible al entorno de enlace químico. Por ejemplo, un átomo de titanio unido a cuatro vecinos exhibía una señal hiperfina notablemente más fuerte que cuando estaba aislado sobre un solo átomo de oxígeno. Los datos también revelaron que átomos magnéticos vecinos modulan la interacción, ilustrando cómo el magnetismo combinado sigue reglas cuánticas.

El núcleo de un átomo consiste en protones y neutrones; el recuento de protones define el elemento, mientras que la disposición de los neutrones da lugar a diferentes isótopos. El magnetismo nuclear se origina en el espín —una propiedad cuántica que se comporta como una diminuta esfera cargada en rotación. Solo ciertos isótopos poseen espín nuclear, produciendo un campo magnético minúsculo comparable al del núcleo de la Tierra. Detectar este campo es excepcionalmente difícil; la IRM convencional, por ejemplo, se basa en la señal colectiva de billones de núcleos.

Para sondear un solo núcleo, se aprovecha el campo magnético de sus electrones circundantes. Aunque los espines electrónicos generan un campo aproximadamente mil veces más fuerte que el de un núcleo, medirlos a nivel de un solo átomo sigue siendo exigente. El enfoque combina temperaturas ultra-bajas, aislamiento de vibraciones y vacío criogénico para mantener los átomos inmóviles y las mediciones libres de ruido.

Se emplea resonancia de espín electrónico (ESR) resuelta por espín con la punta del STM como sonda y antena. Al sintonizar la frecuencia de microondas a la tasa de precesión del electrón —miles de millones de ciclos por segundo— se detectan desplazamientos en la frecuencia de resonancia que reflejan cambios sutiles en el campo magnético local. Este método permite resolver el estado de espín de un solo átomo mientras se imagina simultáneamente su posición y la red circundante, proporcionando una visión sin precedentes de las interacciones magnéticas a escala atómica.

Previamente, se usó esta técnica para mapear los campos magnéticos de átomos de hierro y titanio vecinos en la superficie. También se descubrió que átomos de holmio aislados actúan como memorias magnéticas nanoescalares estables. Estos estudios fundamentales culminaron en el avance actual, donde se midió con éxito el magnetismo de un núcleo individual y se extrajo su información isotópica.

Artículo: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface