Detección del magnetismo del núcleo de un solo átomo

Nuestro equipo de IBM Research - Almaden en Silicon Valley ha detectado el magnetismo del núcleo de un solo átomo, una hazaña que abre la puerta al uso del núcleo como una forma de detectar y controlar el magnetismo a escala atómica. Este avance, publicado recientemente en la revista Science , se logró midiendo el efecto magnético del núcleo sobre los electrones en el mismo átomo. El estudio revela información sobre el isótopo, la cantidad de neutrones en el núcleo de un átomo, y cómo la magnetización del átomo depende de sus átomos vecinos, proporcionando una nueva herramienta poderosa para la detección a nanoescala y presentando un gran paso hacia el uso del núcleo para la espintrónica futura. .

Figura 1 :Bosquejo del experimento. Cada bola roja representa un átomo magnético unido a una superficie. Algunos, naturalmente, tienen un espín nuclear, un pequeño imán, en su núcleo. La punta afilada de un STM sondea un solo átomo magnético. Imagen cortesía de QNS.

Trabajando con un equipo internacional de colaboradores, incluido el Centro de Nanociencia Cuántica (QNS), la Universidad de Oxford y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología, medimos átomos de hierro y titanio que estaban adheridos a una superficie cuidadosamente preparada. Usamos un microscopio de túnel de barrido (STM), el invento de IBM ganador del premio Nobel que usa la punta de una aguja de metal afilada para escanear una superficie para obtener imágenes y mover átomos individuales con gran precisión.

Hace tres años, nuestro grupo demostró que podíamos detectar el magnetismo de los electrones de un solo átomo y utilizar su sensibilidad a los campos magnéticos como una forma de detectar y medir las propiedades de los átomos magnéticos cercanos en la superficie. Ahora, hemos extendido esto para detectar el magnetismo mucho más pequeño del núcleo.

Figura 2 :Imagen de microscopio de efecto túnel de barrido de la superficie del óxido de magnesio, donde las pequeñas protuberancias son átomos de hierro individuales. Imagen cortesía de QNS.

La interacción entre el núcleo de un átomo y sus electrones, llamada interacción hiperfina, permite detectar el magnetismo del núcleo. La interacción hiperfina dentro de cada átomo cambió cuando movimos el átomo a una posición diferente o si movimos otro átomo cerca de él. Usamos el STM para reposicionar átomos individuales y demostrar que la interacción hiperfina depende en gran medida del enlace químico con otros átomos. Por ejemplo, un átomo de titanio unido a cuatro átomos cercanos produjo una interacción hiperfina mucho más fuerte que el mismo átomo de titanio encaramado sobre un solo átomo de oxígeno. Además, encontramos que la fuerza de la interacción hiperfina depende de la presencia de átomos magnéticos vecinos, por lo que revela cómo el magnetismo de los dos átomos se combina de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica.

Figura 3 :Dos átomos de hierro, que se ven como colinas azules en las imágenes inferiores, con isótopos diferentes. El átomo de la derecha es el isótopo hierro-57, que tiene un giro nuclear. Como resultado, se observan dos picos en su espectro de energía, correspondientes a las dos posibles orientaciones del espín del núcleo. Imagen cortesía de QNS.

El núcleo de un átomo está hecho de protones y neutrones, y el número de protones determina qué elemento es el átomo. El magnetismo del núcleo proviene de una propiedad llamada "giro" porque se comporta de manera muy similar a una bola giratoria de carga eléctrica. Solo algunos isótopos tienen un núcleo con espín, y este espín crea un pequeño campo magnético, al igual que la tierra tiene un campo magnético debido a la carga eléctrica que circula profundamente en su núcleo. El campo magnético del espín nuclear es tan minúsculo que es difícil de detectar, excepto cuando se miden muchos millones al mismo tiempo. Esta es la base de la máquina de imágenes de resonancia magnética médica, que mide muchos billones de espines nucleares para cada punto de las imágenes resultantes.

Figura 4 :Espectros de energía medidos en átomos de titanio individuales. Dos isótopos tienen un espín nuclear alto y, por lo tanto, muestran múltiples picos, un pico para cada orientación del núcleo. Imagen cortesía de QNS.

Para detectar el giro de un sencillo núcleo, hacemos uso de los electrones que rodean el núcleo; juntos, el núcleo y los electrones forman un átomo. Estos electrones también tienen espín. Para los electrones, el espín da como resultado un campo magnético que es aproximadamente mil veces más grande que para el núcleo. Esto hace que la detección de electrones sea mucho más fácil, pero sigue siendo extremadamente difícil de detectar para un solo átomo a la vez.

Usamos una forma avanzada de microscopía de túnel de barrido que opera en condiciones ultra frías, limpias y sin vibraciones para garantizar que los átomos permanezcan en su lugar y que las mediciones sensibles no se vean afectadas por el calor, los escombros o el ruido.

Nuestro equipo detecta el espín de un solo átomo mediante el uso de una técnica ultrasensible llamada resonancia de espín en la que usamos la punta del STM para encontrar y seleccionar un solo átomo para examinar. Luego usamos resonancia de espín de electrones (ESR), que detecta qué tan rápido gira el polo norte del electrón. Esta rotación se llama precesión, y el polo norte se mueve de manera muy similar al eje de una peonza colocada sobre una mesa, que gira lentamente para apuntar en diferentes direcciones. Para un electrón, la precesión ocurre miles de millones de veces por segundo, y la frecuencia de precesión se llama frecuencia resonante. Esta frecuencia cambia en respuesta a cambios sutiles en el campo magnético experimentado por el átomo. Realizar ESR usando un microscopio de efecto túnel nos permite medir el espín mientras vemos la posición del átomo y aquellos a los que está unido, junto con los átomos más distantes que influyen sutilmente en él, revelando información invaluable sobre la interacción magnética en el átomo único. escala, que es esencial para diseñar dispositivos electrónicos avanzados hechos de varios átomos.

Figura 5 :Un solo átomo de titanio se mueve a tres posiciones diferentes en la superficie. Esto cambia el espectro, porque la interacción con el espín nuclear es sensible a la química del sitio de unión. Imagen cortesía de QNS.

Usando resonancia de espín, un solo átomo sirve a una sonda sensible del campo magnético, justo en la posición del átomo. Nuestro equipo utilizó esto anteriormente para detectar el campo magnético de átomos cercanos colocados en la superficie. En estos estudios utilizamos átomos de hierro y titanio, cada uno de los cuales tiene propiedades únicas. Incluso descubrimos que los átomos individuales del elemento holmio actúan como pequeños imanes permanentes para que puedan almacenar información. Todos estos avances condujeron a nuestro último avance, en el que detectamos el magnetismo del núcleo y la información que revela.

Documento:Interacción hiperfina de átomos individuales en una superficie