首次测量单个原子原子核的磁性特征
位于硅谷的IBM Almaden研究中心首次测量到了单个原子原子核产生的磁场。这一发现发表在《科学》杂志上，证明了原子核微弱的磁性影响可通过其对周围电子的影响被探测。该技术能提供同位素信息——特别是中子数——并绘制原子磁化随局域原子环境的变化。这为纳米级传感开辟了新疆域，也是迈向基于核自旋电子器件的关键进展。
图1：实验示意图。每个红球代表键合在表面的磁性原子。部分原子核天然具有核自旋，即核心的微小磁铁。STM锐利针尖探测单个磁性原子。图片来源：QNS。
与量子纳米科学中心（QNS）、牛津大学和伊比利亚国际纳米技术实验室合作，我们在精心制备的衬底上定位了孤立的铁和钛原子。测量使用扫描隧道显微镜（STM）——IBM的诺贝尔奖级仪器——其纳米级锐利金属针尖能以原子精度成像和操控单个原子。
2021年，团队展示了探测原子电子磁性并将其作为纳米磁探针的能力。在此基础上，我们将灵敏度推进至核级，揭示了原子核心更微弱的磁性特征。
图2：氧化镁表面的扫描隧道显微镜图像，微小凸起为单个铁原子。图片来源：QNS。
超精细相互作用——核自旋与电子态的耦合——为探测核磁性提供了通道。我们观察到，移动单个原子或使第二个原子靠近，会改变超精细分裂。利用STM重新定位单个原子，我们证明了这种相互作用对化学键合环境高度敏感。例如，与四个邻居键合的钛原子，其超精细信号比孤立在单个氧原子顶部时强得多。数据还显示，相邻磁性原子会调节这种相互作用，展示了组合磁性如何遵循量子力学规则。
图3：下图中两个铁原子呈现蓝色小山，具有不同同位素。右侧原子为铁-57同位素，拥有核自旋。因此其能谱出现两个峰，对应原子核自旋的两种可能取向。图片来源：QNS。
原子核由质子和中子组成；质子数决定元素，中子排列产生不同同位素。核磁性源于自旋——一种像微小旋转带电球体的量子性质。只有特定同位素拥有核自旋，产生的微小磁场堪比地核磁场。探测此磁场极具挑战；常规MRI依赖万亿级原子核的集体信号。
图4：单个钛原子的测量能谱。两种高核自旋同位素显示多个峰值，每个峰对应一种原子核取向。图片来源：QNS。
为探测单个原子核，我们利用其周围电子的磁场。尽管电子自旋产生的磁场比原子核强约千倍，但在单原子级别测量电子自旋仍极具挑战。我们的方法结合超低温、振动隔离和低温真空，保持原子静止、测量无噪声。
图5：单个钛原子移动到表面三个不同位置。这改变了能谱，因为与核自旋的相互作用对结合位点化学敏感。图片来源：QNS。
我们采用自旋分辨电子自旋共振（ESR），STM针尖兼作探针和天线。将微波频率调谐至电子进动频率——每秒数十亿次——可探测共振频率的偏移，反映局域磁场的细微变化。此法能同时分辨单原子自旋态、成像其位置及周围晶格，提供了前所未有的原子尺度磁相互作用视角。
此前，我们用此技术绘制了表面上相邻铁、钛原子的磁场分布，还发现孤立钬原子可作为稳定的纳米磁存储器。这些基础研究汇聚成当前突破：成功测量单个原子核磁性并提取其同位素信息。
论文：表面上单个原子的超精细相互作用
纳米材料