銅原子の心に合わせて

IBM Researchの私たちのチームは、単一の銅原子の磁性を制御する新しい技術を開発しました。これは、いつの日か、個々の原子核が情報を保存および処理できるようにする技術です。

ジャーナル Nature Nanotechnology に本日発表された論文の中で 、私たちのチームは、一度に1原子ずつ核磁気共鳴（NMR）を実行することにより、単一原子の核の磁性を制御できることを実証しました。 NMRは、磁気共鳴画像法（MRI）の基礎となるプロセスであり、身体の複雑で詳細な画像を非侵襲的に明らかにする技術です。 NMRは、分子の構造を決定するために使用される重要なツールでもあります。

走査型トンネル顕微鏡（STM）を使用してNMRを実現したのはこれが初めてです。これは、ノーベル賞を受賞したIBMの発明であり、原子を個別に表示および移動できます。STMは各原子を画像化して配置し、その方法を研究できるため、重要なブレークスルーです。 NMRが変化し、ローカル環境に応答します。 STMの金属針の非常に鋭い先端を表面全体でスキャンすることにより、STMは単一の原子の形状を感知し、原子を引っ張ったり運んだりして目的の配置にすることができます。

単一の原子でNMRを実行するには、2つの主要なステップが必要です。まず、核の磁気方向を分極（明確な方向に向ける）しました。次に、鋭利な金属針の先端から放射される電波を当てて、原子核の磁性を操作しました。電波は核の固有振動数に正確に調整されています。

磁気の心臓を持つ銅原子

銅は、家の電気配線からマイクロチップの個々の回路の接続まで、私たちの日常生活で豊富に使用されています。金属銅の有用性は、電気を通すその卓越した能力に由来します。銅の磁気特性はあまり知られていません。磁石に引き付けられた銅片は見られません。しかし、銅の磁性は、個々の銅原子が他の銅原子に囲まれていないときに実現します。

アーティストの単一の銅原子の核磁性のビュー。コーンは、銅原子内の原子核（左）と電子（右）の磁北極の異なる方向を表しています。原子核と電子は磁気的に結合しています（赤いばね）。 STMチップ（右に表示）からの電流が原子の磁性を制御します。

テクノロジーを最も基本的な極限である原子スケールにまで縮小すると、銅を保持する隣接する原子との相互作用の仕方によっては、単一の銅原子が磁性を帯びる可能性があります。私たちの実験では、酸化マグネシウムで構成される慎重に選択された表面に銅原子を付着させることにより、銅原子を磁性にしました。この磁性は、銅原子の電子から発生します。これらの電子は、原子の「心臓」である原子核の周りを循環します。原子核は、驚くべきことに、磁性も持っています。 2つの冷蔵庫用マグネットを組み合わせると、引き付けたり反発したりします。電子磁石と核磁石についても同様の物理学が成り立ち、それらの間の磁力はそれらを整列させる傾向があるため、それらは同じ方向を指します。原子内のこの磁力の専門用語は超微細相互作用です。

核の磁性を利用する方法

核の弱い磁気信号は、検出と制御を困難にします。核磁気は非常に小さいので、実験のように極低温に冷却しても、熱によってその向きがランダムに変動します。これは、情報を処理し、他の磁石を感知するためにそれを使用するために、その「スピン」と呼ばれる核の磁気方向を制御することを困難にします。 MRIイメージングでは、非常に大きな磁場を使用して、体の原子の核を一方向に向けます。しかし、熱はこの整列を破壊するので、核はほぼランダムな方向を指し、フィールドをたどる傾向はわずかです。その結果、測定可能な信号を生成するために、MRIでは何兆もの原子が必要になります。単一の原子核を制御するには、それをはるかに予測可能に整列させる必要があります。これは大きな課題です。次に、NMR信号を検出するために、各原子を個別に検出する必要があります。

これらの課題を克服するために、私たちは原子核を周回する電子をメッセンジャーとしてだけでなくマネージャーとしても使用します。銅原子内の電子は、超微細相互作用を介して原子核と「対話」し、原子核を目的の方向に向けるように動かし、結果として生じる方向を感知します。電流を使用して銅の電子を検出および制御することにより、単一の銅原子の核磁気を検出および制御します。

私たちの銅原子は、慎重に選択された表面である酸化マグネシウムに付着しているため、銅の磁性を調べることができます。単一の銅原子の核磁性に対処するために、私たちのチームは、単一原子核の非常に弱い磁性を操作および検出できるように、鉄の単一原子をその極端に配置することにより、顕微鏡用の特殊な磁気チップを開発しました。

電流制御された初期化を使用した単一原子NMR

電流を使用するだけで、STMの先端の磁気配向を銅原子のコア（核）の磁気配向に変換することができます。これは、MRAMと呼ばれる次世代のコンピュータメモリの磁気ビットに情報を書き込むために使用されるスピン転送トルク技術に似ています。上のアニメーションは、磁性がどのように原子核に伝達されるかを示しています。核が望ましい方向に設定された後、核の方向のかろうじて具体的な信号を読み取る必要があります。これを行うために、先月発行された以前の論文に基づいて、送信機と同じ原子上にある電子スピンを使用します。個々の原子に適用される「電子スピン共鳴（ESR）」と呼ばれる手法を使用します。これは、3年前にIBM Research –Almadenラボで開発された機能です。

アーティストの酸化マグネシウムの表面に付着した単一の銅原子（赤いボール）の図。 STMの鋭い先端（灰色のボールのピラミッド）は、電流を流すことによって単一の銅原子をプローブしています。

私たちのチームは、顕微鏡の先端から原子に送信された電波を使用して、単一原子のNMRを実証することにより、この作業で2番目の大きな一歩を踏み出しました。 NMR技術は、分子の構造を研究し、人体の内部構造を画像化するために広く使用されています。銅の核は磁性を帯びているため、磁場はそれを処理させる力を発揮します。これは、こまが地球の重力場で進行しているときに円錐形の表面をトレースするのと同じです。小さな「回転する」銅の原子核は、量子力学の法則に従って、磁場に関して4つの異なる方法でしか配向できません。これが、図とアニメーションで核に関連付けられた4つの錐体が表示される理由です。 STMの鋭い先端から放射される電波の周波数を「核アンテナ」の特徴的な歳差運動周波数に調整することで、核スピンの向きを共鳴的に回転させることができます。

原子核のスピンを制御するこの新しい機能と、原子を配置して原子スケールで動作する電子および磁気デバイスを構築およびプローブするSTMの機能を組み合わせて、核スピンを使用して量子情報を処理することを目指します。

個々の原子の電気的に制御された核分極 Kai Yang、Philip Willke、Yujeong Bae、AlejandroFerrón、Jose L. Lado、Arzhang Ardavan、JoaquínFernández-Rossier、Andreas J. Heinrich、Christopher P. Lutz、 Nature Nanotechnology 。 doi：10.1038 / s41565-018-0296-7（2018）