Investigadores del Centro de Nanociencia Cuántica (QNS) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Corea del Sur han logrado un gran avance científico al detectar el magnetismo nuclear, o "espín nuclear" de un solo átomo. En una colaboración internacional con IBM Research, la Universidad de Oxford y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología, Los científicos de QNS utilizaron técnicas avanzadas y novedosas para medir el giro nuclear de átomos individuales en superficies por primera vez.

Normalmente el giro nuclear, que describe el magnetismo del núcleo del átomo, solo se puede detectar en cantidades muy grandes. Los resultados, publicado hoy en la revista Ciencias , muestran que esto ahora también es posible para átomos individuales en una superficie. Para hacer eso, el equipo utilizó un microscopio de túnel de barrido en IBM Research, que consiste en una punta de metal atómicamente afilada y permite a los investigadores obtener imágenes y sondear átomos individuales.

Los dos elementos que se investigaron en este trabajo, hierro y titanio, son átomos que pueden tener un número diferente de neutrones en el núcleo del átomo, estos son los llamados isótopos. Solo ciertos isótopos de cada elemento tienen un núcleo con un giro nuclear. Normalmente es extremadamente difícil medir los espines nucleares de átomos individuales. Tradicionalmente se requieren grandes cantidades de espines nucleares, haciendo que este avance sea tan notable.

Para detectar la presencia de un espín nuclear dentro del núcleo de un solo átomo, el equipo hizo uso de la interacción hiperfina. Este fenómeno describe el acoplamiento entre el espín nuclear de un solo átomo y su contraparte electrónica, que generalmente es mucho más fácil de acceder. Dr. Philip Willke del Centro de Nanociencia Cuántica (QNS), primer autor del estudio, dice:"Descubrimos que la interacción hiperfina de un átomo cambiaba cuando lo movíamos a una posición diferente en la superficie o si movíamos otros átomos a su lado. En ambos casos, la estructura electrónica del átomo cambia y el espín nuclear nos permite detectar eso ".

Los investigadores planean utilizar esta sensibilidad de la interacción hiperfina dentro del entorno químico como sensor cuántico. "Los espines nucleares ya se utilizan para la obtención de imágenes biológicas en las máquinas de resonancia magnética de los hospitales". dice el Dr. Yujeong Bae también de QNS, coautor de este estudio. "Similar, en nuestro experimento, el espín nuclear nos permite medir propiedades de la estructura electrónica de átomos y moléculas que de otro modo permanecerían ocultas ".

A largo plazo, Los investigadores de QNS quieren almacenar información en el giro nuclear del átomo. El año pasado, la misma colaboración con IBM logró almacenar, leer y escribir un poco de información digital utilizando el espín electrónico de un solo átomo de holmio. De la misma manera, los giros nucleares podrían servir como bits a escala subatómica. El equipo también planea usar su técnica para probar vías para la computación cuántica. Mientras todavía está en desarrollo temprano, La computación cuántica promete superar ampliamente a las computadoras clásicas en tareas como la administración de bases de datos, buscar, y optimización. Los espines nucleares son excelentes candidatos para estos bits cuánticos, ya que están bien aislados del medio ambiente a través de la capa atómica, un requisito para los dispositivos de información cuántica.

"Estoy muy entusiasmado con estos resultados. Sin duda, es un hito en nuestro campo y tiene implicaciones muy prometedoras para la investigación futura". dice el profesor Andreas Heinrich, Director de la QNS. "Al abordar los espines nucleares individuales, podemos obtener un conocimiento más profundo sobre la estructura de la materia y abrir nuevos campos de investigación básica".