与铜原子的心脏协调一致

我们在 IBM 研究院的团队开发了一种新技术来控制单个铜原子的磁性，这种技术有朝一日可以让单个原子核存储和处理信息。

在今天发表在Nature Nanotechnology杂志上的一篇论文中 ，我们的团队证明，我们可以通过一次对一个原子进行核磁共振 (NMR) 来控制单个原子核的磁性。核磁共振是磁共振成像或 MRI 的基础过程，该技术可以无创地揭示身体的复杂细节图像。核磁共振也是确定分子结构的重要工具。

这是第一次使用扫描隧道显微镜 (STM) 实现核磁共振，这是 IBM 获得诺贝尔奖的发明，可以单独查看和移动原子，这是一项重要的突破，因为 STM 可以对每个原子进行成像和定位，以研究如何核磁共振会改变并响应当地环境。通过在表面扫描 STM 金属针的超锋利尖端，STM 可以感知单个原子的形状，并可以将原子拉动或携带成所需的排列。

对单个原子执行 NMR 需要两个主要步骤。首先，我们极化（定向在明确定义的方向）原子核的磁方向。然后，我们通过使用从锋利的金属针尖发出的无线电波来操纵原子核的磁性。无线电波被精确调谐到原子核的自然频率。

有磁心的铜原子

铜资源丰富，在我们的日常生活中广泛使用，从房屋中的电线到连接微芯片中的各个电路。金属铜的用处源于其出色的导电能力。铜的磁特性鲜为人知——我们从未见过一块铜被磁铁吸引。但是当单个铜原子没有被其他铜原子包围时，铜的磁性就会活跃起来。

一位艺术家的作品查看单个铜原子的核磁性。锥体代表原子核（左）和铜原子内电子（右）的磁北极的不同方向。原子核和电子是磁连接的（红色弹簧）。来自 STM 尖端的电流（如右图所示）控制着原子的磁性。

当你将技术缩小到最基本的极端——原子尺度时——单个铜原子可以变得具有磁性，这取决于它如何与支撑铜的相邻原子相互作用。在我们的实验中，我们将铜原子附着在精心挑选的由氧化镁组成的表面上，从而使铜原子具有磁性。这种磁性来自铜原子中的电子。这些电子围绕原子核（原子的“心脏”）循环，值得注意的是，原子核也具有磁性。当我们将两个冰箱磁铁放在一起时，它们要么相互吸引，要么相互排斥。电子磁铁和核磁铁的物理原理相似，它们之间的磁力倾向于使它们对齐，因此它们指向相同的方向。原子内这种磁力的技术术语是超精细相互作用。

如何利用原子核的磁性

原子核的微弱磁信号使得检测和控制具有挑战性。核磁体非常小，即使在我们的实验中冷却到极低的温度时，它的取向也会因热量而随机波动。这使得很难控制原子核的磁方向，称为“自旋”，以便用它来处理信息和感知其他磁铁。在 MRI 成像中，使用非常大的磁场将您身体原子中的原子核对齐以指向一个方向。但是热量会破坏这种排列，因此原子核几乎指向随机方向，只有轻微的跟随场的趋势。因此，MRI 需要数万亿个原子才能产生可​​测量的信号。为了控制单个原子的原子核，它必须以更可预测的方式排列，这是一项重大挑战。然后必须单独感测每个原子以检测核磁共振信号。

为了克服这些挑战，我们使用围绕原子核运行的电子作为信使和管理者。铜原子内部的电子通过超精细相互作用与原子核“对话”，以推动原子核指向所需的方向，然后感知产生的方向。通过电流检测和控制铜电子，检测和控制单个铜原子的核磁性。

我们的铜原子附着在精心挑选的表面氧化镁上，这使我们能够探测铜的磁性。为了解决单个铜原子的核磁性，我们的团队通过在其极端顶点放置单个铁原子，为显微镜开发了一种专门的磁性尖端，这使得操纵和检测单个原子核的非常微弱的磁性成为可能。

具有电流控制初始化的单原子核磁共振

通过简单地使用电流，我们能够将 STM 尖端的磁取向转移到铜原子核的磁取向 - 原子核。这类似于自旋转移矩技术，该技术用于将信息写入称为 MRAM 的下一代计算机存储器中的磁位。上面的动画说明了磁力是如何传递到原子核的。在将原子核设置为所需的方向后，我们需要读出核定向的几乎不可触摸的信号。为此，我们在上个月发表的一篇论文的基础上，使用与发射器位于同一原子上的电子自旋。我们使用一种称为“电子自旋共振 (ESR)”的技术应用于单个原子，这是 IBM Research – Almaden 实验室三年前开发的一项功能。

一位艺术家的作品附着在氧化镁表面的单个铜原子（红球）的视图。 STM 的尖端（灰色球体）通过电流探测单个铜原子。

我们的团队通过使用通过显微镜尖端传输到原子的无线电波来演示单个原子的 NMR，在这项工作中又迈出了一大步。核磁共振技术被广泛用于研究分子结构和对人体内部结构进行成像。由于铜原子核具有磁性，磁场会施加一个力使其进行加工，类似于陀螺在地球引力场中进动时描绘出锥形表面。根据量子力学定律，微小的“旋转”铜核只能以四种不同的方式相对于磁场进行定向。这就是为什么您会在图形和动画中看到与细胞核相关的四个锥体。通过将STM尖端发射的无线电波频率调整到“核天线”的特征进动频率，我们能够共振旋转核自旋的方向。

我们将把这种控制原子核自旋的新能力与STM排列原子的能力结合起来，构建和探测在原子尺度上运行的电子和磁性装置，旨在利用核自旋来处理量子信息。

单个原子的电控核极化， Kai Yang、Philip Willke、Yujeong Bae、Alejandro Ferrón、Jose L. Lado、Arzhang Ardavan、Joaquín Fernández-Rossier、Andreas J. Heinrich、Christopher P. Lutz，自然纳米技术 . doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)