Em sintonia com o coração de um átomo de cobre

Nossa equipe na IBM Research desenvolveu uma nova técnica para controlar o magnetismo de um único átomo de cobre, uma tecnologia que poderia um dia permitir que núcleos atômicos individuais armazenassem e processassem informações.

Em um artigo publicado hoje na revista Nature Nanotechnology , nossa equipe demonstrou que podemos controlar o magnetismo do núcleo de um único átomo realizando Ressonância Magnética Nuclear (NMR) um átomo de cada vez. NMR é o processo subjacente à ressonância magnética, ou MRI, a técnica que revela de forma não invasiva imagens intrincadamente detalhadas do corpo. NMR também é uma ferramenta crítica usada para determinar as estruturas das moléculas.

Esta é a primeira vez que NMR foi alcançado usando um Microscópio de Tunelamento de Varredura (STM), a invenção da IBM ganhadora do Prêmio Nobel que permite que os átomos sejam visualizados e movidos individualmente, um avanço importante porque o STM pode criar imagens e posicionar cada átomo para estudar como o NMR muda e responde ao ambiente local. Ao escanear a ponta ultra-afiada da agulha de metal do STM em toda a superfície, o STM pode sentir a forma de átomos individuais e pode puxar ou transportar átomos para os arranjos desejados.

A realização de NMR em um único átomo requer duas etapas principais. Primeiro, polarizamos (orientados em uma direção bem definida) a direção magnética do núcleo. Em seguida, manipulamos o magnetismo do núcleo aplicando ondas de rádio que emanam da ponta de uma agulha de metal afiada. As ondas de rádio são sintonizadas precisamente na frequência natural do núcleo.

O átomo de cobre com um coração magnético

O cobre é abundante e amplamente utilizado em nossa vida cotidiana, desde a fiação elétrica em casas até a instalação de circuitos individuais em microchips. A utilidade do cobre metálico se origina de sua excelente capacidade de conduzir eletricidade. As propriedades magnéticas do cobre são muito menos conhecidas - nunca vemos um pedaço de cobre atraído por um ímã. Mas o magnetismo do cobre ganha vida quando átomos de cobre individuais não estão rodeados por outros átomos de cobre.

De um artista vista do magnetismo nuclear de um único átomo de cobre. Os cones representam diferentes orientações do pólo norte magnético do núcleo (à esquerda) e do elétron (à direita) dentro do átomo de cobre. O núcleo e o elétron estão magneticamente ligados (mola vermelha). A corrente elétrica da ponta do STM (mostrada à direita) controla o magnetismo do átomo.

Quando você reduz a tecnologia ao extremo mais fundamental - a escala atômica - um único átomo de cobre pode se tornar magnético, dependendo de como ele interage com os átomos vizinhos que contêm o cobre. Em nosso experimento, tornamos o átomo de cobre magnético anexando-o a uma superfície cuidadosamente escolhida composta de óxido de magnésio. Esse magnetismo vem dos elétrons do átomo de cobre. Esses elétrons circulam em torno do núcleo - o “coração” do átomo - que, surpreendentemente, também é magnético. Quando colocamos dois ímãs de geladeira juntos, eles se atraem ou se repelem. Física semelhante vale para o ímã de elétrons e o ímã nuclear, e a força magnética entre eles tende a alinhá-los, de modo que apontam na mesma direção. O termo técnico para essa força magnética dentro do átomo é interação hiperfina.

Como aproveitar o magnetismo do núcleo

O sinal magnético fraco do núcleo torna difícil detectar e controlar. O ímã nuclear é tão minúsculo que sua orientação flutua aleatoriamente devido ao calor, mesmo quando resfriado a temperaturas extremamente baixas, como em nossos experimentos. Isso torna difícil controlar a direção magnética do núcleo, chamada de “spin”, para usá-lo para processar informações e detectar outros ímãs. Na imagem de ressonância magnética, um campo magnético muito grande é usado para alinhar os núcleos dos átomos do seu corpo para apontar em uma direção. Mas o calor interrompe esse alinhamento, de modo que os núcleos apontam quase em direções aleatórias, com apenas uma ligeira tendência de seguir o campo. Como resultado, muitos trilhões de átomos são necessários na ressonância magnética para produzir um sinal mensurável. Para controlar o núcleo de um único átomo, ele deve estar alinhado de forma muito mais previsível, um grande desafio. Então, cada átomo deve ser detectado individualmente para detectar um sinal de NMR.

Para superar esses desafios, usamos o elétron que orbita o núcleo como um mensageiro e também como um gerenciador. O elétron dentro do átomo de cobre “fala” com o núcleo por meio da interação hiperfina, a fim de empurrar o núcleo para apontar na direção desejada, e então sente a direção resultante. Ao detectar e controlar o elétron de cobre usando corrente elétrica, detectamos e controlamos o magnetismo nuclear de um único átomo de cobre.

Nosso átomo de cobre está ligado a uma superfície cuidadosamente escolhida, óxido de magnésio, que nos permite sondar o magnetismo do cobre. Para lidar com o magnetismo nuclear de um único átomo de cobre, nossa equipe desenvolveu uma ponta magnética especializada para o microscópio, colocando um único átomo de ferro em seu ápice extremo, o que torna possível manipular e detectar o magnetismo muito fraco de um único núcleo atômico.

NMR de átomo único com inicialização controlada por corrente



Simplesmente usando uma corrente elétrica, somos capazes de transferir a orientação magnética da ponta do STM para a orientação magnética do núcleo de um átomo de cobre - o núcleo. Isso é semelhante à técnica de torque de transferência de spin, o método usado para gravar informações em bits magnéticos na memória de computador de próxima geração, conhecida como MRAM. A animação acima ilustra como o magnetismo é transferido para o núcleo. Depois que o núcleo é definido com a orientação desejada, precisamos ler o sinal quase tangível da orientação nuclear. Para fazer isso, empregamos o spin do elétron que reside no mesmo átomo que um transmissor, a partir de um artigo anterior publicado no mês passado. Usamos uma técnica chamada “Electron Spin Resonance (ESR)” aplicada a átomos individuais, um recurso desenvolvido no laboratório IBM Research - Almaden há três anos.

De um artista vista de átomos de cobre (bolas vermelhas) unidos a uma superfície de óxido de magnésio. A ponta afiada (pirâmide de bolas cinzas) de um STM está sondando um único átomo de cobre fazendo fluir uma corrente elétrica através dele.

Nossa equipe deu um segundo grande passo neste trabalho, demonstrando NMR de um único átomo, usando uma onda de rádio transmitida ao átomo através da ponta do microscópio. As técnicas de RMN são amplamente utilizadas para estudar a estrutura das moléculas e para criar imagens de estruturas internas no corpo humano. Uma vez que o núcleo de cobre é magnético, um campo magnético exerce uma força que faz com que ele seja processado, semelhante a um pião traçando superfícies em forma de cone enquanto precessam no campo gravitacional da Terra. Os minúsculos núcleos de cobre “giratórios” podem se orientar de apenas quatro maneiras diferentes com relação ao campo magnético, de acordo com as leis da mecânica quântica. É por isso que você vê quatro cones associados ao núcleo na figura e na animação. Ao sintonizar a frequência da onda de rádio emitida da ponta afiada do STM, para a frequência de precessão característica da “antena nuclear”, somos capazes de girar ressonantemente a orientação do spin nuclear.

Vamos combinar esta nova capacidade de controlar o spin do núcleo com a capacidade do STM de organizar átomos para construir e sondar dispositivos eletrônicos e magnéticos que operam em escala atômica, com o objetivo de usar spins nucleares para processar informações quânticas.

Polarização nuclear eletricamente controlada de átomos individuais, 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)