Nuestro equipo de IBM Research desarrolló una nueva técnica para controlar el magnetismo de un solo átomo de cobre, una tecnología que algún día podría permitir que los núcleos atómicos individuales almacenen y procesen información.

En un artículo publicado hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Nuestro equipo demostró que podemos controlar el magnetismo del núcleo de un solo átomo realizando Resonancia Magnética Nuclear (RMN) un átomo a la vez. La RMN es el proceso que subyace a la resonancia magnética, o resonancia magnética, la técnica que revela de forma no invasiva imágenes intrincadamente detalladas del cuerpo. La RMN también es una herramienta fundamental que se utiliza para determinar las estructuras de las moléculas.

Esta es la primera vez que se logra la RMN utilizando un microscopio de túnel de barrido (STM), la invención de IBM, ganadora del Premio Nobel, que permite que los átomos se vean y se muevan individualmente, un avance importante porque el STM puede obtener imágenes y posicionar cada átomo para estudiar cómo cambia la RMN y responde al entorno local. Al escanear la punta ultra afilada de la aguja de metal del STM a través de la superficie, el STM puede detectar la forma de átomos individuales y puede tirar o transportar átomos en la disposición deseada.

Realizar RMN en un solo átomo requiere dos pasos principales. Primero, polarizamos (orientamos en una dirección bien definida) la dirección magnética del núcleo. Luego, manipulamos el magnetismo del núcleo aplicando ondas de radio que emanan de la punta de una aguja de metal afilada. Las ondas de radio están sintonizadas con precisión a la frecuencia natural del núcleo.

El átomo de cobre con corazón magnético.

El cobre es abundante y muy utilizado en nuestra vida diaria. desde el cableado eléctrico en las casas hasta la conexión de circuitos individuales en microchips. La utilidad del cobre metálico se debe a su excelente capacidad para conducir electricidad. Las propiedades magnéticas del cobre son mucho menos conocidas:nunca vemos una pieza de cobre atraída por un imán. Pero el magnetismo del cobre cobra vida cuando los átomos de cobre individuales no están rodeados por otros átomos de cobre.

Cuando reduce la tecnología al extremo más fundamental, la escala atómica, un solo átomo de cobre puede volverse magnético, dependiendo de cómo interactúe con los átomos vecinos que contienen el cobre. En nuestro experimento, Hicimos que el átomo de cobre fuera magnético fijándolo a una superficie cuidadosamente elegida compuesta de óxido de magnesio. Este magnetismo proviene de los electrones del átomo de cobre. Estos electrones circulan alrededor del núcleo, el "corazón" del átomo, que, notablemente, también es magnético. Cuando juntamos dos imanes de nevera, atraen o repelen. Física similar es válida para el imán de electrones y el imán nuclear, y la fuerza magnética entre ellos tiende a alinearlos, por lo que apuntan en la misma dirección. El término técnico para esta fuerza magnética dentro del átomo es interacción hiperfina.

Cómo aprovechar el magnetismo del núcleo.

La débil señal magnética del núcleo dificulta su detección y control. El imán nuclear es tan pequeño que su orientación fluctúa aleatoriamente debido al calor, incluso cuando se enfría a una temperatura extremadamente baja como en nuestros experimentos. Esto dificulta el control de la dirección magnética del núcleo, llamado su "giro, "con el fin de utilizarlo para procesar información y detectar otros imanes. En las imágenes de resonancia magnética, Se utiliza un campo magnético muy grande para alinear los núcleos de los átomos de su cuerpo para que apunten en una dirección. Pero el calor interrumpe esta alineación, por lo que los núcleos apuntan casi en direcciones aleatorias, con solo una ligera tendencia a seguir el campo. Como resultado, Se requieren muchos billones de átomos en la resonancia magnética para producir una señal medible. Para controlar el núcleo de un solo átomo, debe alinearse de manera mucho más predecible, un gran desafío. Luego, cada átomo debe detectarse individualmente para detectar una señal de RMN.

Para superar estos desafíos, utilizamos el electrón que orbita el núcleo como mensajero y también como administrador. El electrón dentro del átomo de cobre "habla" con el núcleo a través de la interacción hiperfina, para empujar el núcleo para que apunte en la dirección deseada, y luego detecta la dirección resultante. Al detectar y controlar el electrón de cobre mediante corriente eléctrica, detectamos y controlamos el magnetismo nuclear de un solo átomo de cobre.

Nuestro átomo de cobre está unido a una superficie cuidadosamente elegida, Óxido de magnesio, que nos permite sondear el magnetismo del cobre. Para abordar el magnetismo nuclear de un solo átomo de cobre, Nuestro equipo desarrolló una punta magnética especializada para el microscopio colocando un solo átomo de hierro en su vértice extremo, lo que permite manipular y detectar el magnetismo muy débil de un solo núcleo atómico.

RMN de un solo átomo con inicialización controlada por corriente

Simplemente usando una corriente eléctrica, podemos transferir la orientación magnética de la punta del STM a la orientación magnética del núcleo de un átomo de cobre:​​el núcleo. Esto es similar a la técnica de torque de transferencia de giro, el método utilizado para escribir información en bits magnéticos en la memoria de computadora de próxima generación conocida como MRAM. La animación de arriba ilustra cómo se transfiere el magnetismo al núcleo. Una vez que el núcleo se establece en la orientación deseada, necesitamos leer la señal apenas tangible de la orientación nuclear. Para hacer esto, empleamos el espín del electrón que reside en el mismo átomo como transmisor, basándose en un artículo anterior publicado el mes pasado. Usamos una técnica llamada "Electron Spin Resonance (ESR)" aplicada a átomos individuales, una capacidad desarrollada en el laboratorio de IBM Research - Almaden hace tres años.

Nuestro equipo ha dado un segundo gran paso en este trabajo al demostrar la RMN de un solo átomo, mediante el uso de una onda de radio transmitida al átomo a través de la punta del microscopio. Las técnicas de RMN se utilizan ampliamente para estudiar la estructura de moléculas y para obtener imágenes de estructuras internas dentro del cuerpo humano. Dado que el núcleo de cobre es magnético, un campo magnético ejerce una fuerza que hace que se procese, similar a una peonza que traza superficies en forma de cono mientras hacen precesión en el campo gravitacional de la Tierra. Los diminutos núcleos de cobre "giratorios" pueden orientarse a sí mismos en solo cuatro formas diferentes con respecto al campo magnético, según las leyes de la mecánica cuántica. Es por eso que ves cuatro conos asociados con el núcleo en la figura y animación. Al sintonizar la frecuencia de la onda de radio emitida por la punta afilada de STM, a la frecuencia de precesión característica de la "antena nuclear, "Somos capaces de rotar resonantemente la orientación del espín nuclear.

Combinaremos esta nueva capacidad para controlar el giro del núcleo con la capacidad del STM para organizar los átomos para construir y sondear dispositivos electrónicos y magnéticos que operan a escala atómica. con el objetivo de utilizar espines nucleares para procesar información cuántica.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de IBM Research. Lea la historia original aquí.