단일 원자핵의 자기 검출

실리콘 밸리의 IBM Research − Almaden 팀은 단일 원자 핵의 자기를 감지했습니다. 이는 원자 규모에서 자기를 감지하고 제어하는 ​​방법으로 핵을 사용할 수 있는 가능성을 열어준 위업입니다. 최근 Science 저널에 발표된 이 획기적인 , 같은 원자의 전자에 대한 핵의 자기 효과를 측정하여 달성되었습니다. 이 연구는 동위원소(원자의 핵에 있는 중성자의 수)와 원자의 자화가 인접 원자에 어떻게 의존하는지에 대한 정보를 보여줌으로써 나노 규모에서 감지하기 위한 강력한 새 도구를 제공하고 미래의 스핀트로닉스에 핵을 사용하는 주요 단계를 제시합니다. .

그림 1 :실험의 스케치. 각 빨간 공은 표면에 결합된 자기 원자를 나타냅니다. 일부는 자연적으로 핵에 작은 자석인 핵 스핀을 가지고 있습니다. STM의 날카로운 끝은 단일 자기 원자를 조사합니다. 이미지 제공 QNS.

양자 나노과학 센터(Centum for Quantum Nanoscience, QNS), 옥스포드 대학 및 국제 이베리아 나노기술 연구소(International Iberian Nanotechnology Laboratory)를 포함한 국제 협력 팀과 협력하여 조심스럽게 준비된 표면에 부착된 철 및 티타늄 원자를 측정했습니다. 우리는 날카로운 금속 바늘의 끝을 사용하여 표면을 스캔하여 이미지를 생성하고 개별 원자를 매우 정밀하게 움직이는 노벨상을 수상한 IBM 발명품인 주사 터널링 현미경(STM)을 사용했습니다.

3년 전 우리 그룹은 단일 원자의 전자의 자기를 감지하고 자기장에 대한 민감도를 표면에 있는 근처의 자기 원자의 특성을 감지하고 측정하는 방법으로 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 이제 우리는 핵의 훨씬 더 작은 자기를 감지하기 위해 이것을 확장했습니다.

그림 2 :작은 돌기가 개별 철 원자인 산화마그네슘 표면의 주사 터널링 현미경 이미지. 이미지 제공 QNS.

원자핵과 전자 사이의 상호작용을 극미세 상호작용이라고 하여 핵의 자성을 감지할 수 있습니다. 각 원자 내의 초미세 상호작용은 원자를 다른 위치로 이동하거나 다른 원자를 가까이 이동하면 변경되었습니다. 우리는 STM을 사용하여 개별 원자를 재배치하고 초미세 상호 작용이 다른 원자와의 화학적 결합에 강하게 의존한다는 것을 보여줍니다. 예를 들어, 인접한 4개의 원자에 결합된 티타늄 원자는 단일 산소 원자 위에 자리 잡은 동일한 티타늄 원자보다 훨씬 더 강한 초미세 상호작용을 생성했습니다. 또한, 우리는 극미세 상호작용의 강도가 인접한 자기 원자의 존재에 의존한다는 것을 발견하여 양자 역학의 규칙에 따라 두 원자의 자기가 결합하는 방식을 보여줍니다.

그림 3 :아래 이미지에서 푸른 언덕으로 보이는 두 개의 철 원자, 다른 동위 원소를 가지고 있습니다. 오른쪽 원자는 핵 스핀을 가지고 있는 철-57 동위원소입니다. 결과적으로 핵의 스핀에 대한 두 가지 가능한 방향에 해당하는 두 개의 피크가 에너지 스펙트럼에서 관찰됩니다. 이미지 제공 QNS.

원자의 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며, 양성자의 수에 따라 원자가 어떤 원소인지 결정됩니다. 핵의 자기는 회전하는 전하의 공처럼 행동하기 때문에 "스핀"이라는 속성에서 비롯됩니다. 일부 동위원소에만 스핀이 있는 핵이 있으며, 이 스핀은 작은 자기장을 만들어냅니다. 마치 지구가 중심부 깊숙이 순환하는 전하로 인해 자기장이 있는 것과 같습니다. 핵스핀의 자기장은 너무 작아서 동시에 수백만을 측정할 때를 제외하고는 감지하기 어렵습니다. 이것은 결과 이미지의 각 지점에 대해 수조 개의 핵 스핀을 측정하는 의료 MRI 이미징 기계의 기초입니다.

그림 4 :개별 티타늄 원자에서 측정된 에너지 스펙트럼. 두 개의 동위원소는 높은 핵 스핀을 가지므로 핵의 각 방향에 대해 하나의 피크인 여러 피크를 표시합니다. 이미지 제공 QNS.

단일의 회전을 감지하려면 핵, 우리는 핵을 둘러싼 전자를 사용합니다. 핵과 전자가 함께 원자를 형성합니다. 이 전자에도 스핀이 있습니다. 전자의 경우 스핀은 핵보다 약 1000배 더 큰 자기장을 생성합니다. 이렇게 하면 전자를 훨씬 쉽게 감지할 수 있지만 한 번에 단일 원자를 감지하는 것은 여전히 ​​매우 어렵습니다.

우리는 원자가 제자리에 있고 민감한 측정이 열, 파편 또는 소음에 의해 방해받지 않도록 하기 위해 매우 차갑고 깨끗하며 진동이 없는 조건에서 작동하는 고급 형태의 주사 터널링 현미경을 사용합니다.

우리 팀은 STM의 끝 부분을 사용하여 검사할 단일 원자를 찾고 선택하는 스핀 공명이라는 초고감도 기술을 사용하여 단일 원자의 스핀을 감지합니다. 그런 다음 전자의 북극이 얼마나 빨리 회전하는지 감지하는 전자 스핀 공명(ESR)을 사용합니다. 이 회전을 세차운동이라고 하며 북극은 탁자 위에 놓인 팽이의 축처럼 천천히 회전하여 서로 다른 방향을 가리킵니다. 전자의 경우 세차 운동은 초당 수십억 번 발생하며 세차 운동의 주파수를 공진 주파수라고 합니다. 이 주파수는 원자가 경험하는 자기장의 미묘한 변화에 따라 변합니다. 주사 터널링 현미경을 사용하여 ESR을 수행하면 원자와 원자가 결합된 위치, 그리고 미묘하게 영향을 미치는 더 먼 원자와 함께 스핀을 측정하여 단일 원자에서의 자기 상호 작용에 대한 귀중한 정보를 드러낼 수 있습니다. 여러 원자로 만들어진 첨단 전자 장치를 설계하는 데 필수적인 규모입니다.

그림 5 :단일 티타늄 원자가 표면의 세 가지 다른 위치로 이동합니다. 이것은 핵스핀과의 상호작용이 결합 부위의 화학적 성질에 민감하기 때문에 스펙트럼을 변화시킨다. 이미지 제공 QNS.

스핀 공명을 사용하여 단일 원자는 원자의 위치에서 자기장의 민감한 프로브 역할을 합니다. 우리 팀은 이전에 이것을 표면에 배치된 근처 원자의 자기장을 감지하는 데 사용했습니다. 이 연구에서 우리는 각각 고유한 특성을 가진 철과 티타늄 원자를 사용했습니다. 우리는 심지어 홀뮴 원소의 개별 원자가 정보를 저장할 수 있도록 작은 영구 자석으로 작용한다는 것을 발견했습니다. 이러한 발전은 모두 핵의 자기와 핵이 드러내는 정보를 감지하는 최신 돌파구로 이어졌습니다.

종이:표면에 있는 개별 원자의 초미세 상호작용