IBM突破：利用核磁共振精准控制单个铜原子的磁性

IBM研究院开创了一种技术，能精准控制单个铜原子的磁性，为原子级数据存储和量子计算奠定了基础。

单原子核磁共振的里程碑

在近期发表于《自然·纳米技术》的论文中，研究团队展示了核磁共振（NMR）可应用于单个铜原子核——这一方法正是磁共振成像（MRI）和分子结构分析的基础。

这是利用扫描隧道显微镜（STM）实现单原子核磁共振的首次尝试。STM是IBM的诺贝尔奖级发明，能对单个原子进行成像和定位。通过扫描STM超锐利的金属针尖，仪器可探测单个原子的形貌，甚至重新定位原子，以研究其局域环境如何影响NMR信号。

单原子NMR的两大关键步骤

对单个原子实施NMR需要两步：首先极化原子核的磁取向；其次，利用STM针尖发射射频脉冲，精准匹配原子核的固有共振频率，从而操控其取向。

拥有“磁性心脏”的铜原子

铜因优异的导电性广泛应用于电线和芯片电路。块体铜是抗磁性的，不被磁铁吸引；但孤立的铜原子在没有其他铜原子包围时，会表现出磁性。

单个铜原子核磁性的艺术示意图。圆锥分别代表原子核（左）和电子（右）磁北极的不同取向。红色弹簧展示两者的磁耦合。STM针尖电流控制原子磁性。

在原子尺度上，孤立铜原子因其未成对电子绕核运动——即其“心脏”——产生磁场而呈现磁性。当我们将铜原子键合在精心挑选的氧化镁表面上时，电子与原子核间的超精细相互作用使其磁矩对齐，从而产生可检测的磁信号。

驾驭核磁性

核磁矩极弱，即使在超低温下，其取向仍随热运动波动。MRI依靠强外场对齐数十亿原子核，但热噪声仍限制信号强度。为了控制单个原子核，我们利用周围电子作为介质：其超精细耦合将原子核推向目标取向，再通过同一电子读取最终状态。

STM针尖经过特殊设计，顶端仅有一个铁原子，能精准输送射频能量并探测微弱的核信号。

电流控制初始化的单原子NMR

通过在STM针尖通入电流，将针尖的磁取向传递给铜原子核——这类似于磁阻随机存取存储器（MRAM）中使用的自旋转移扭矩技术。原子核初始化后，我们利用同一原子上的电子自旋共振（ESR）读取其状态，该技术已在2023年研究中得到完善。

氧化镁表面单铜原子（红色）的艺术示意图。STM针尖（灰色金字塔）通过导通电流探测铜原子。

研究进一步表明，从STM针尖发射的射频波可诱导单个铜原子核发生NMR。原子核因具有磁性，在外场中像陀螺一样进动，其四种可能取向对应不同的量子态。将射频调谐至核共振频率，即可高精度旋转核自旋。

这种结合原子级定位、单原子NMR与电控制的能力，为利用核自旋进行量子信息处理的纳米磁电子器件铺平了道路。

参考文献

Electrically controlled nuclear polarization of individual atoms, Kai Yang, Philip Willke, Yujeong Bae, Alejandro Ferrón, Jose L. Lado, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández‑Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)