Avanço da IBM: Controlando Magnetismo de Um Único Átomo de Cobre via RMN

A IBM Research pioneirou uma técnica que controla precisamente o magnetismo de um único átomo de cobre, lançando as bases para armazenamento de dados em escala atômica e computação quântica.

Em uma publicação recente na Nature Nanotechnology, demonstramos que ressonância magnética nuclear (RMN) pode ser aplicada a um único núcleo de cobre, método que fundamenta a imagem por ressonância magnética (MRI) e análise estrutural de moléculas.

Esta é a primeira vez que RMN de átomo único foi alcançada usando um microscópio de tunelamento (STM), invenção Nobel da IBM que permite imagem e posicionamento individual de átomos. Ao varrer a ponta ultra-afiada da agulha metálica do STM sobre uma superfície, o instrumento pode detectar a forma de átomos únicos e até reposicioná-los para estudar como sinais de RMN variam com seu ambiente local.

Realizar RMN em um único átomo requer dois passos-chave: primeiro, polarizamos a orientação magnética do núcleo; segundo, manipulamos essa orientação entregando pulsos de radiofrequência diretamente da ponta do STM, sintonizados na frequência de ressonância natural do núcleo.

O átomo de cobre com um coração magnético

O cobre é onipresente — de fiação elétrica a circuitos de microchips — graças à sua condutividade excepcional. Embora o cobre em massa seja diamagnético e não atraído por ímãs, um átomo de cobre isolado pode exibir magnetismo quando não cercado por outros átomos de cobre.

Visão artística do magnetismo nuclear de um único átomo de cobre. Cones representam diferentes orientações do polo norte magnético do núcleo (esquerda) e do elétron (direita). A mola vermelha ilustra seu acoplamento magnético. Corrente da ponta STM controla o magnetismo do átomo.

Na escala atômica, um átomo de cobre solitário torna-se magnético porque seus elétrons desemparelhados orbitam o núcleo — seu "coração" — e geram um campo magnético. Quando ligamos o átomo de cobre a uma superfície de óxido de magnésio cuidadosamente escolhida, a resultante interação hiperfina entre elétron e núcleo alinhou seus momentos magnéticos, criando um sinal magnético detectável.

Aproveitando o magnetismo nuclear

O momento magnético nuclear é extremamente fraco, então sua orientação flutua com movimento térmico mesmo em temperaturas criogênicas. Em MRI, um grande campo externo alinha bilhões de núcleos, mas ruído térmico ainda limita a força do sinal. Para controlar um único núcleo, usamos o elétron circundante como mediador: seu acoplamento hiperfino empurra o núcleo para uma orientação desejada, e então lemos o estado resultante via o mesmo elétron.

Nossa ponta STM é especialmente projetada com um único átomo de ferro em seu ápice, permitindo entrega precisa de energia de radiofrequência e detecção do sinal nuclear fraco.

RMN de átomo único via inicialização controlada por corrente

Ao passar uma corrente elétrica através da ponta STM, transferimos a orientação magnética da ponta para o núcleo de cobre — abordagem análoga ao torque de transferência de spin usado em tecnologia de memória MRAM. Uma vez que o núcleo é inicializado, lemos seu estado explorando ressonância de spin de elétron (ESR) no mesmo átomo, técnica que refinamos em um estudo de 2023.

Visão artística de átomos de cobre únicos (vermelho) em superfície de óxido de magnésio. A ponta STM (pirâmide cinza) sonda um átomo de cobre conduzindo corrente elétrica.

Avancemos ainda mais este trabalho demonstrando que uma onda de rádio transmitida da ponta STM pode induzir RMN em um único núcleo de cobre. O núcleo, sendo magnético, precessa no campo externo como um pião, e suas quatro orientações possíveis correspondem a estados quânticos distintos. Sintonizando a radiofrequência à frequência de ressonância do núcleo, podemos rotacionar seu spin com alta precisão.

Esta capacidade — combinando posicionamento em escala atômica, RMN de átomo único e controle elétrico — abre caminho para construir dispositivos magnéticos e eletrônicos na nanoescala que aproveitam spins nucleares para processamento de informação quântica.

Referência

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)