Investigadores del IBS Center for Quantum Nanocience en Ewha Womans University (QNS) han demostrado que los átomos de disprosio que descansan sobre una fina capa aislante de óxido de magnesio tienen estabilidad magnética durante días. En un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza han demostrado que estos diminutos imanes tienen una robustez extrema contra las fluctuaciones en el campo magnético y la temperatura y solo se voltean cuando son bombardeados con electrones de alta energía desde un microscopio de efecto túnel.

Usando estos imanes de un solo átomo ultraestables y, sin embargo, intercambiables, El equipo ha demostrado un control a escala atómica del campo magnético dentro de arquitecturas cuánticas construidas artificialmente. "La sintonización a escala atómica y la ingeniería de precisión de los campos magnéticos que se muestra en este trabajo agrega un nuevo paradigma para los dispositivos de lógica cuántica y la computación cuántica, ", dice el Dr. Aparajita Singha, quien realizó la investigación como postdoctorado en QNS y ahora es líder de grupo en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido.

Aunque el magnetismo surge a nivel de átomos individuales, también llamados giros no apareados, Los pequeños cúmulos atómicos son generalmente magnéticamente muy inestables sin un control cuidadoso de su entorno. Comprender las propiedades magnéticas a escalas tan pequeñas es un problema de física fundamental, que se ha vuelto técnicamente muy importante para la creación de qubits, los componentes básicos de la computación cuántica.

El magnetismo a escalas tan pequeñas se puede estudiar y controlar mediante el uso de túneles cuánticos a través de sondas de electrodos afilados en un microscopio de efecto túnel (STM). La huella dactilar de estos espines atómicos se puede medir utilizando resonancia de espín de electrones de un solo átomo (ESR). El equipo de investigación de QNS combinó el uso de estas poderosas técnicas para encontrar las condiciones adecuadas para lograr el imán robusto de un solo átomo tan buscado.

"La creación de los imanes ultraestables más pequeños estuvo lejos de ser un esfuerzo pequeño. Necesitaba operar en los límites de las técnicas de medición y encontrar las condiciones adecuadas. En un sustrato de MgO de doble capa, el átomo de Dy está casi aislado pero todavía siente suficiente direccionalidad para mantener una polaridad definida durante días, "según el Dr. Singha.

Para poder congelar átomos individuales y medir sus señales minúsculas, el equipo creó un entorno físico extremo, incluyendo:(a) temperaturas miles de veces más pequeñas que la temperatura ambiente, en el que los átomos dejan de flotar en las superficies, (b) vacío más fuerte que el espacio vacío, para que los átomos no se contaminen con impurezas que de otro modo sesgarían nuestros resultados, y (c) superficies cristalinas ultralimpias con casi nada encima excepto los átomos individuales deseados. En cuanto a la herramienta en sí, recogieron átomos individuales de Fe (hierro) uno por uno en la punta del STM hasta lograr una relación señal-ruido suficiente en ESR, incluso en ausencia de cualquier campo magnético externo (generalmente 30-50 átomos). Dado que los estados electrónicos de los imanes de átomo Dy ultraestables (orbitales 4f) están demasiado protegidos para las mediciones STM, los investigadores midieron la proyección de su campo magnético en un sensor de átomo de Fe más fácilmente medible, colocados en ubicaciones definidas en la misma superficie. Usando la misma punta STM, también dispusieron imanes de átomos de Dy individuales en diferentes ubicaciones de la red del sustrato cristalino alrededor del átomo de Fe del sensor. El giro deliberado de los imanes individuales del átomo de Dy cambió el campo magnético en la ubicación del átomo de Fe del sensor con discreción precisa, que luego se midió para ser estable durante días usando ESR.

Los imanes intercambiables ultraestables de un solo átomo colocados en ubicaciones atómicamente precisas proporcionan una caja de herramientas para un control extremadamente local pero preciso de los campos magnéticos. Una vez que se establece el estado magnético, se mantiene automáticamente sin necesidad de imanes externos enormes y costosos. El Dr. Singha concluyó que, "La sintonización a escala atómica del campo magnético es una poderosa herramienta de control para futuros circuitos cuánticos basados ​​en la superficie".