単一の原子核の磁性を検出する

IBM Research-シリコンバレーのアルマデンのチームは、単一の原子核の磁性を検出しました。これは、原子スケールで磁性を感知および制御する方法として原子核を使用するための扉を開く偉業です。この画期的な出来事は、最近ジャーナル Science に掲載されました。 、同じ原子内の電子に対する原子核の磁気効果を測定することによって達成されました。この研究は、同位体（原子核内の中性子の数）と、原子の磁化が隣接する原子にどのように依存するかについての情報を明らかにし、ナノスケールで感知するための強力な新しいツールを提供し、将来のスピントロニクスに原子核を使用するための主要なステップを提示します。

図1 ：実験のスケッチ。それぞれの赤いボールは、表面に結合した磁性原子を表しています。自然に核スピン、小さな磁石をコアに持っているものもあります。 STMの鋭い先端は、単一の磁性原子をプローブします。画像提供：QNS。

量子ナノサイエンスセンター（QNS）、オックスフォード大学、国際イベリアナノテクノロジー研究所などの国際協力チームと協力して、慎重に準備された表面に付着した鉄とチタンの原子を測定しました。ノーベル賞を受賞したIBMの発明である走査型トンネル顕微鏡（STM）を使用しました。これは、鋭い金属針の先端を使用して表面をスキャンし、個々の原子を非常に正確に画像化して移動します。

3年前、私たちのグループは、単一原子の電子の磁性を検出し、その磁場に対する感度を、表面上の近くの磁性原子の特性を検出および測定する方法として使用できることを示しました。現在、これを拡張して、核のはるかに小さな磁性を検出しています。

図2 ：酸化マグネシウム表面の走査型トンネル顕微鏡画像。小さな突起は個々の鉄原子です。画像提供：QNS。

超微細相互作用と呼ばれる、原子の原子核とその電子の間の相互作用により、原子核の磁性を検出することができます。各原子内の超微細相互作用は、原子を別の位置に移動したとき、または別の原子をその近くに移動したときに変化しました。 STMを使用して個々の原子を再配置し、超微細相互作用が他の原子への化学結合に強く依存することを示しました。たとえば、4つの近くの原子に結合したチタン原子は、単一の酸素原子の上にある同じチタン原子よりもはるかに強い超微細相互作用をもたらしました。さらに、超微細相互作用の強さは隣接する磁性原子の存在に依存することを発見したので、量子力学の規則に従って2つの原子の磁性がどのように結合するかが明らかになります。

図3 ：下の画像で青い丘として見られる、異なる同位体を持つ2つの鉄原子。右の原子は、核スピンを持っている同位体鉄-57です。その結果、そのエネルギースペクトルに2つのピークが観察されます。これは、原子核のスピンの2つの可能な方向に対応しています。画像提供：QNS。

原子核は陽子と中性子でできており、陽子の数によって原子がどの元素であるかが決まります。原子核の磁性は、電荷の回転する球のように振る舞うため、「スピン」と呼ばれる特性に由来します。一部の同位体だけがスピンを伴う核を持っており、このスピンは、地球がそのコアの奥深くを循環する電荷のために磁場を持っているのと同じように、小さな磁場を作ります。核スピンからの磁場は非常に小さいので、同時に何百万もの測定が行われる場合を除いて、検出するのは困難です。これが医療用MRIイメージングマシンの基礎であり、結果として得られる画像の各ポイントで数兆の核スピンを測定します。

図4 ：個々のチタン原子で測定されたエネルギースペクトル。 2つの同位体は核スピンが高いため、複数のピークを表示します。核の方向ごとに1つのピークがあります。画像提供：QNS。

シングルのスピンを検出するには 原子核では、原子核を取り巻く電子を利用します。原子核と電子が一緒になって原子を形成します。これらの電子にもスピンがあります。電子の場合、スピンは原子核の場合よりも約1000倍大きい磁場をもたらします。これにより、電子の検出がはるかに簡単になりますが、一度に1つの原子を検出するのは非常に困難です。

高度な形式の走査型トンネル顕微鏡を使用して、超低温でクリーンな振動のない状態で動作し、原子が所定の位置に留まり、熱、破片、ノイズによって高感度の測定が妨げられないようにします。

私たちのチームは、スピン共鳴と呼ばれる超高感度技術を使用して単一原子のスピンを検出します。この技術では、STMの先端を使用して、検査する単一原子を見つけて選択します。次に、電子の北極がどれだけ速く回転するかを感知する電子スピン共鳴（ESR）を使用します。この回転は歳差運動と呼ばれ、北極はテーブルに置かれたこまの軸のように動き、ゆっくりと回転してさまざまな方向を指します。電子の場合、歳差運動は1秒間に数十億回発生し、歳差運動の周波数は共鳴周波数と呼ばれます。この周波数は、原子が受ける磁場の微妙な変化に応じて変化します。走査型トンネル顕微鏡を使用してESRを実行すると、原子とそれが結合している原子の位置と、それに微妙に影響を与えるより遠い原子を確認しながらスピンを測定でき、単一原子での磁気相互作用に関する貴重な情報が明らかになります。スケール。これは、いくつかの原子から作られた高度な電子デバイスを設計するために不可欠です。

図5 ：単一のチタン原子が表面の3つの異なる位置に移動します。核スピンとの相互作用は結合部位の化学的性質に敏感であるため、これによりスペクトルが変化します。画像提供：QNS。

スピン共鳴を使用して、単一の原子が、原子の位置で磁場の高感度プローブとして機能します。私たちのチームは以前、これを使用して、表面に配置された近くの原子の磁場を検出していました。これらの研究では、それぞれ独自の特性を持つ鉄とチタンの原子を使用しました。ホルミウム元素の個々の原子が小さな永久磁石として機能し、情報を保存できることもわかりました。これらの進歩はすべて、核の磁性とそれが明らかにする情報を検出するという最新のブレークスルーにつながりました。

紙：表面上の個々の原子の超微細相互作用