检测单个原子核的磁性

IBM Research - 硅谷 Almaden 的团队已经检测到单个原子核的磁性，这一壮举为使用原子核作为在原子尺度上感知和控制磁性的一种方式打开了大门。这一突破最近发表在Science杂志上 , 是通过测量原子核对同一原子中电子的磁效应来实现的。该研究揭示了有关同位素的信息——原子核中的中子数量——以及原子的磁化强度如何取决于其相邻原子，为纳米级传感提供了一种强大的新工具，并为将原子核用于未来的自旋电子学迈出了重要一步.

图1 :实验草图。每个红球代表一个与表面结合的磁性原子。有些自然在它们的核心中有一个核自旋，一个小磁铁。 STM 的尖端探测单个磁性原子。图片由 QNS 提供。

我们与包括量子纳米科学中心 (QNS)、牛津大学和国际伊比利亚纳米技术实验室在内的国际合作团队合作，测量了附着在精心准备的表面上的铁和钛原子。我们使用了扫描隧道显微镜 (STM)，这是 IBM 获得诺贝尔奖的发明，它使用锋利的金属针尖扫描表面，以高精度成像和移动单个原子。

三年前，我们的小组表明我们可以检测单个原子的电子的磁性，并利用其对磁场的敏感性来检测和测量表面附近磁性原子的特性。现在，我们将其扩展到检测原子核更微小的磁性。

图2 ：氧化镁表面的扫描隧道显微镜图像，其中小突起是单个铁原子。图片由 QNS 提供。

原子核与其电子之间的相互作用称为超精细相互作用，使检测原子核的磁性成为可能。当我们将原子移动到不同的位置或将另一个原子靠近它时，每个原子内的超精细相互作用会发生变化。我们使用 STM 重新定位单个原子，并表明超精细相互作用强烈依赖于与其他原子的化学键合。例如，与四个附近原子结合的钛原子比位于单个氧原子上的同一个钛原子产生更强的超精细相互作用。此外，我们发现超精细相互作用的强度取决于相邻磁性原子的存在，因此根据量子力学规则揭示了两个原子的磁性如何结合。

图3 ：两个铁原子，在下图中被视为蓝色山丘，具有不同的同位素。正确的原子是同位素铁 57，它具有核自旋。结果，在其能谱中观察到两个峰值，对应于原子核自旋的两个可能方向。图片由 QNS 提供。

原子核由质子和中子组成，质子的数量决定了原子是哪种元素。原子核的磁性来自一种称为“自旋”的特性，因为它的行为很像一个旋转的电荷球。只有一些同位素具有自旋的原子核，这种自旋会产生一个小磁场，就像地球由于在其核心深处循环的电荷而产生磁场一样。核自旋产生的磁场非常小，很难检测到，除非同时测量数百万。这是医学 MRI 成像机的基础，它可以测量结果图像中每个点的数万亿个核自旋。

图4 ：在单个钛原子上测量的能谱。两种同位素具有高核自旋，因此显示多个峰，核的每个方向一个峰。图片由 QNS 提供。

检测单个的自旋 原子核，我们利用原子核周围的电子——原子核和电子一起形成一个原子。这些电子也有自旋。对于电子，自旋产生的磁场大约是原子核的一千倍。这使得检测电子变得更加容易，但一次检测单个原子仍然极具挑战性。

我们使用先进的扫描隧道显微镜，该显微镜可在超冷、干净、无振动的条件下运行，以确保原子保持原位，并且敏感测量不会受到热量、碎片或噪音的干扰。

我们的团队通过使用一种称为自旋共振的超灵敏技术来检测单个原子的自旋，在该技术中，我们使用 STM 的尖端来寻找并选择要检查的单个原子。然后我们使用电子自旋共振 (ESR)，它可以感知电子北极旋转的速度。这种旋转称为进动，北极的运动很像放置在桌子上的陀螺的轴，它缓慢旋转以指向不同的方向。对于一个电子，每秒钟会发生数十亿次进动，进动的频率称为共振频率。该频率随着原子所经历的磁场的细微变化而变化。使用扫描隧道显微镜执行 ESR 使我们能够测量自旋，同时观察原子及其键合的位置，以及对它产生微妙影响的更远的原子，揭示有关单原子磁相互作用的宝贵信息规模，这对于设计由多个原子制成的先进电子设备至关重要。

图5 ：单个钛原子移动到表面的三个不同位置。这会改变光谱，因为与核自旋的相互作用对结合位点的化学反应很敏感。图片由 QNS 提供。

使用自旋共振，单个原子可以作为磁场的敏感探针，就在原子的位置。我们的团队以前使用它来检测放置在表面上的附近原子的磁场。在这些研究中，我们使用了铁原子和钛原子，它们各自具有独特的特性。我们甚至发现钬元素的单个原子充当微小的永磁体，因此它们可以存储信息。这些进展都促成了我们最新的突破，我们检测了原子核的磁性及其揭示的信息。

纸：表面上单个原子的超精细相互作用