IBMのブレークスルー：NMRによる単一銅原子の磁気制御

IBMリサーチは、単一銅原子の磁気を精密に制御する技術を先駆的に開発し、原子スケールのデータストレージと量子計算への道を開きました。

最近、『Nature Nanotechnology』誌に発表された研究で、核磁気共鳴（NMR）を単一銅核に適用できることを実証しました。この手法は、磁気共鳴画像（MRI）や分子構造解析の基盤となっています。

走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いた単一原子NMRの実現は史上初です。STMはIBMのノーベル賞受賞発明であり、原子を個別にイメージングし、配置することを可能にします。STMの超鋭利な金属針先を表面走査させることで、単一原子の形状を検出し、さらにはそれらを再配置して、局所環境によるNMR信号の変化を研究できます。

単一原子でのNMRには2つの重要なステップが必要です：第一に、核の磁気配向を分極させること；第二に、STM針先から核の自然共振周波数に合わせた高周波パルスを照射し、その配向を操作することです。

磁気の心臓部を持つ銅原子

銅は、電気配線からマイクロチップ回路まで、その優れた導電性ゆえに至る所に存在します。バルク銅は反磁性で磁石に引き寄せられませんが、他の銅原子に囲まれていない孤立した銅原子は磁性を示すことがあります。

単一銅原子の核磁気のアーティストによるイメージ。円錐は核の磁気北極（左）と電子の磁気北極（右）の異なる配向を表す。赤いバネはそれらの磁気結合を示す。STMチップ電流が原子の磁気を制御する。

原子スケールでは、孤立した銅原子は、不対電子が核（その「心臓部」）を周回し磁場を生成するため磁性を帯びます。銅原子を慎重に選ばれた酸化マグネシウム表面に結合させると、電子と核の間の超微細相互作用により両者の磁気モーメントが揃い、検出可能な磁気信号が生まれます。

核磁気の活用

核磁気モーメントは極めて弱く、極低温でも熱運動により配向が揺らぎます。MRIでは大きな外部磁場で数十億の核を揃えますが、熱雑音が信号強度を制限します。単一核を制御するため、周囲の電子を媒介として利用します：その超微細結合が核を所望の配向へ導き、同じ電子を介して結果の状態を読み取ります。

我々のSTMチップ先端には単一鉄原子が特別に設計されており、高周波エネルギーの精密な供給と微弱な核信号の検出を可能にしています。

電流制御初期化による単一原子NMR

STMチップに電流を流すことで、チップの磁気配向を銅核へ転写します。これはMRAMメモリ技術で用いられるスピン転移トルクに類似したアプローチです。核が初期化されると、同一原子上での電子スピン共鳴（ESR）を利用してその状態を読み取ります。この技術は2023年の研究で改良されました。

酸化マグネシウム表面上の単一銅原子（赤）のアーティストによるイメージ。STMチップ（灰色のピラミッド）が電流を流して銅原子を探査する。

さらに、STMチップから送信される電波が単一銅核にNMRを誘起できることを実証しました。磁気を持つ核は、外部磁場中でコマのように進動し、その4つの可能な配向は異なる量子状態に対応します。無線周波数を核の共振周波数に合わせることで、高精度にスピンを回転させられます。

この能力、すなわち原子スケールの位置決め、単一原子NMR、電気的制御の組み合わせは、核スピンを量子情報処理に活用するナノスケール磁気・電子デバイスの構築への道を開きます。

参考文献

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)