구리 원자의 심장에 맞춰

IBM Research의 우리 팀은 단일 구리 원자의 자기를 제어하는 ​​새로운 기술을 개발했습니다. 이 기술은 언젠가 개별 원자핵이 정보를 저장하고 처리할 수 있게 하는 기술입니다.

오늘 Nature Nanotechnology 저널에 발표된 논문에서 , 우리 팀은 한 번에 한 원자씩 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)을 수행하여 단일 원자핵의 자기를 제어할 수 있음을 시연했습니다. NMR은 자기공명영상(MRI)의 기초가 되는 과정으로, 신체의 복잡하고 상세한 이미지를 비침습적으로 드러내는 기술입니다. NMR은 또한 분자 구조를 결정하는 데 사용되는 중요한 도구입니다.

이것은 원자를 개별적으로 보고 움직일 수 있게 하는 노벨상 수상 IBM 발명품인 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여 NMR을 달성한 것은 이번이 처음입니다. NMR은 지역 환경에 변화하고 반응합니다. 표면을 가로질러 STM의 금속 바늘의 매우 날카로운 끝을 스캔함으로써 STM은 단일 원자의 모양을 감지하고 원하는 배열로 원자를 당기거나 이동할 수 있습니다.

단일 원자에서 NMR을 수행하려면 두 가지 주요 단계가 필요합니다. 첫째, 우리는 핵의 자기 방향을 분극화(잘 정의된 방향으로 배향)했습니다. 그런 다음 날카로운 금속 바늘 끝에서 나오는 전파를 적용하여 핵의 자기를 조작했습니다. 전파는 핵의 고유 주파수에 정확하게 맞춰집니다.

자기 심장을 가진 구리 원자

구리는 가정의 전기 배선에서 마이크로칩의 개별 회로 연결에 이르기까지 일상 생활에서 풍부하고 널리 사용됩니다. 금속 구리의 유용성은 탁월한 전기 전도 능력에서 비롯됩니다. 구리의 자기 특성은 훨씬 덜 알려져 있습니다. 우리는 자석에 끌리는 구리 조각을 결코 볼 수 없습니다. 그러나 구리의 자성은 개별 구리 원자가 다른 구리 원자로 둘러싸여 있지 않을 때 살아납니다.

아티스트의 단일 구리 원자의 핵자기의 관점. 원뿔은 구리 원자 내의 핵(왼쪽)과 전자(오른쪽)의 자기 북극의 다른 방향을 나타냅니다. 핵과 전자는 자기적으로 연결되어 있습니다(적색 스프링). STM 팁(오른쪽 참조)의 전류는 원자의 자기를 제어합니다.

기술을 가장 근본적인 극단(원자 규모)으로 축소하면 단일 구리 원자가 구리를 보유하고 있는 인접 원자와 상호 작용하는 방식에 따라 자성이 될 수 있습니다. 우리의 실험에서 우리는 산화 마그네슘으로 구성된 신중하게 선택된 표면에 구리 원자를 부착하여 자기를 만들었습니다. 이 자기는 구리 원자의 전자에서 나옵니다. 이 전자는 원자의 "심장"인 핵 주위를 순환합니다. 핵은 놀랍게도 자성이기도 합니다. 냉장고 자석 두 개를 합치면 끌어당기거나 밀어냅니다. 전자석과 핵자석에 대해 유사한 물리학이 성립하고, 그들 사이의 자기력은 그들을 정렬하는 경향이 있으므로 동일한 방향을 가리킵니다. 원자 내부의 이 자기력에 대한 전문 용어는 초미세 상호작용입니다.

핵의 자기력을 이용하는 방법

핵의 약한 자기 신호로 인해 감지 및 제어가 어렵습니다. 핵자석은 너무 작아서 우리 실험과 같이 극도로 낮은 온도로 냉각되더라도 열에 의해 방향이 불규칙하게 변동합니다. 이것은 정보를 처리하고 다른 자석을 감지하는 데 사용하기 위해 핵의 "스핀"이라고 불리는 자기 방향을 제어하기 어렵게 만듭니다. MRI 영상에서 매우 큰 자기장은 신체 원자의 핵이 한 방향을 가리키도록 정렬하는 데 사용됩니다. 그러나 열은 이러한 정렬을 방해하여 핵이 거의 임의의 방향을 가리키며 자기장을 따라가는 경향이 약간 있습니다. 결과적으로 측정 가능한 신호를 생성하려면 MRI에서 수조 개의 원자가 필요합니다. 단일 원자의 핵을 제어하려면 훨씬 더 예측 가능하게 정렬되어야 하며, 이는 주요 과제입니다. 그런 다음 각 원자는 NMR 신호를 감지하기 위해 개별적으로 감지되어야 합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 우리는 핵 주위를 도는 전자를 관리자이자 메신저로 사용합니다. 구리 원자 내부의 전자는 초미세 상호 작용을 통해 핵과 "대화"하여 원하는 방향을 가리키도록 핵을 넛지한 다음 결과 방향을 감지합니다. 전류를 사용하여 구리 전자를 감지하고 제어함으로써 단일 구리 원자의 핵자기를 감지하고 제어합니다.

구리 원자는 신중하게 선택된 표면인 산화마그네슘에 부착되어 구리의 자성을 조사할 수 있습니다. 단일 구리 원자의 핵자기를 해결하기 위해 우리 팀은 단일 원자핵의 매우 약한 자기를 조작하고 감지할 수 있도록 하는 단일 철 원자를 극단에 배치하여 현미경용 특수 자기 팁을 개발했습니다.

전류 제어 초기화가 포함된 단일 원자 NMR

단순히 전류를 사용하여 STM 팁의 자기 방향을 구리 원자의 코어인 핵의 자기 방향으로 전달할 수 있습니다. 이것은 MRAM으로 알려진 차세대 컴퓨터 메모리의 자기 비트에 정보를 기록하는 데 사용되는 방법인 스핀 전달 토크 기술과 유사합니다. 위의 애니메이션은 자기장이 어떻게 핵으로 전달되는지 보여줍니다. 핵을 원하는 방향으로 설정한 후에는 거의 눈에 띄지 않는 핵 방향 신호를 읽어야 합니다. 이를 위해 우리는 지난 달에 발표된 이전 논문을 바탕으로 동일한 원자에 상주하는 전자 스핀을 송신기로 사용합니다. 우리는 3년 전 IBM Research – Almaden 연구소에서 개발한 기능인 개별 원자에 적용된 'ESR(전자 스핀 공명)'이라는 기술을 사용합니다.

아티스트의 산화마그네슘 표면에 부착된 단일 구리 원자(빨간색 공)의 모습. STM의 날카로운 끝(회색 공 피라미드)은 전류를 흐르게 하여 단일 구리 원자를 조사하고 있습니다.

우리 팀은 현미경의 끝을 통해 원자에 전달된 전파를 사용하여 단일 원자의 NMR을 시연함으로써 이 작업에서 두 ​​번째 큰 단계를 밟았습니다. NMR 기술은 분자 구조를 연구하고 인체 내의 내부 구조를 이미지화하는 데 널리 사용됩니다. 구리의 핵은 자기이기 때문에 자기장은 팽이가 원뿔 모양의 표면을 추적하면서 지구의 중력장에서 세차 운동을 하는 것과 유사하게 이를 처리하도록 하는 힘을 가합니다. 작은 "회전하는" 구리 핵은 양자 역학의 법칙에 따라 자기장과 관련하여 4가지 다른 방식으로만 방향을 지정할 수 있습니다. 이것이 그림과 애니메이션에서 핵과 관련된 4개의 원뿔을 보는 이유입니다. STM의 뾰족한 끝에서 방출되는 전파의 주파수를 "핵 안테나"의 특성 세차 주파수로 조정하여 핵 스핀의 방향을 공명하게 회전시킬 수 있습니다.

우리는 핵의 스핀을 제어하는 ​​이 새로운 능력과 원자를 배열하는 STM의 능력을 결합하여 원자 규모에서 작동하는 전자 및 자기 장치를 구성하고 조사하여 핵 스핀을 사용하여 양자 정보를 처리하는 것을 목표로 합니다.

개별 원자의 전기적으로 제어되는 핵 분극, Kai Yang, Philip Willke, 배유정, 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)