Medindo a Assinatura Magnética do Núcleo de Um Único Átomo

IBM Research – Almaden, localizado no Vale do Silício, mediu, pela primeira vez, o campo magnético gerado pelo núcleo de um único átomo. A descoberta, publicada no periódico Science, demonstra que a sutil influência magnética de um núcleo pode ser detectada via seu efeito nos elétrons circundantes. Esta técnica fornece informação isotópica — especificamente a contagem de nêutrons — e mapeia como a magnetização de um átomo muda com seu ambiente atômico local. O resultado abre nova fronteira para sensoriamento na nanoescala e é um avanço crucial rumo a dispositivos spintrônicos baseados em núcleos.

Colaborando com o Center for Quantum Nanoscience (QNS), Universidade de Oxford e Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, posicionamos átomos isolados de ferro e titânio em um substrato meticulosamente preparado. As medições foram realizadas com um microscópio de tunelamento (STM) — instrumento Nobel da IBM — que emprega uma ponta metálica nanométrica para imagem e manipulação de átomos individuais com precisão atômica.

Em 2021, nossa equipe demonstrou a capacidade de detectar o magnetismo eletrônico de um átomo e explorá-lo como sonda magnética na nanoescala. Baseando-se nesse trabalho, agora elevamos a sensibilidade ao nível nuclear, revelando a assinatura magnética muito mais fraca do núcleo do átomo.

A interação hiperfina — o acoplamento entre spin nuclear e estados eletrônicos — fornece um conduto para detectar magnetismo nuclear. Observamos que realocar um único átomo ou trazer um segundo átomo para proximidade alterou a divisão hiperfina. Usando o STM para reposicionar átomos individuais, demonstramos que esta interação é altamente sensível ao ambiente de ligação química. Por exemplo, um átomo de titânio ligado a quatro vizinhos exibiu sinal hiperfino marcadamente mais forte do que quando isolado atop de um único átomo de oxigênio. Os dados também revelaram que átomos magnéticos vizinhos modulam a interação, ilustrando como o magnetismo combinado segue regras quântico-mecânicas.

O núcleo de um átomo consiste em prótons e nêutrons; a contagem de prótons define o elemento, enquanto o arranjo de nêutrons dá origem a diferentes isótopos. Magnetismo nuclear origina-se de spin — propriedade quântica que se comporta como uma minúscula esfera carregada rotativa. Apenas isótopos selecionados possuem spin nuclear, produzindo um campo magnético minúsculo comparável ao do núcleo da Terra. Detectar este campo é excepcionalmente desafiador; MRI convencional, por exemplo, depende do sinal coletivo de trilhões de núcleos.

Para sondar um único núcleo, aproveitamos o campo magnético de seus elétrons circundantes. Embora spins de elétrons gerem campo aproximadamente mil vezes mais forte que o de um núcleo, medi-los no nível de átomo único permanece exigente. Nossa abordagem combina temperaturas ultra-baixas, isolamento de vibração e vácuo criogênico para manter átomos imóveis e medições livres de ruído.

Empregamos ressonância de spin de elétron resolvida por spin (ESR) com a ponta STM como sonda e antena. Sintonizando a frequência de micro-ondas à taxa de precessão do elétron — bilhões de ciclos por segundo — detectamos deslocamentos na frequência de ressonância que refletem mudanças sutis no campo magnético local. Este método nos permite resolver o estado de spin de um único átomo enquanto simultaneamente imagemamos sua posição e a rede circundante, fornecendo visão sem precedentes de interações magnéticas na escala atômica.

Anteriormente, usamos esta técnica para mapear campos magnéticos de átomos vizinhos de ferro e titânio na superfície. Também descobrimos que átomos isolados de hólmio atuam como memórias magnéticas nanoescalares estáveis. Estes estudos fundamentais culminaram no avanço atual, onde medimos com sucesso o magnetismo de um núcleo individual e extraímos sua informação isotópica.

Paper: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface