単一原子核の磁気シグネチャーの測定

シリコンバレーにあるIBMリサーチ・アルマデンは、史上初めて単一原子の核が生成する磁場を測定しました。この発見は『Science』誌に掲載され、核の微かな磁気的影響が周囲の電子への効果を通じて検出可能であることを示しています。この技術は同位体情報、具体的には中性子数を提供し、原子の磁化が局所的な原子環境によってどのように変化するかをマッピングします。この成果はナノスケールセンシングの新たなフロンティアを開き、核スピンベースのスピントロニクスデバイスへの重要な前進となります。

図1：実験の概略図。各赤い球は表面に結合した磁性原子を表す。一部は核心に核スピン、すなわち小さな磁石を自然に持つ。STMの鋭いチップが単一磁性原子を探査する。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、イベリア半島国際ナノテクノロジー研究所と共同で、入念に準備された基板上に孤立した鉄およびチタン原子を配置しました。測定には走査型トンネル顕微鏡（STM）—IBMのノーベル賞受賞装置—を用いました。これはナノメートルオーダーの鋭利な金属チップを用いて、原子精度で個々の原子をイメージングし操作します。

2021年、我々のチームは原子の電子磁気を検出し、ナノスケール磁気プローブとして活用する能力を実証しました。この成果を基に、さらに感度を核レベルまで高め、原子核の遥かに弱い磁気シグネチャーを明らかにしました。

図2：酸化マグネシウム表面のSTM像。小さな突起は個々の鉄原子である。画像提供：QNS。

超微細相互作用—核スピンと電子状態の結合—が核磁気を検出する経路を提供します。単一原子を移動させたり、第二の原子を近接させたりすると超微細分裂が変化することを観測しました。STMで個々の原子を再配置することで、この相互作用が化学結合環境に高度に敏感であることを実証しました。例えば、4つの隣接原子と結合したチタン原子は、単一酸素原子上に孤立している場合よりも著しく強い超微細信号を示しました。データはまた、隣接する磁性原子が相互作用を変調し、結合磁気が量子力学的ルールに従うことを示しています。

図3：下部画像で青い丘として見える2つの鉄原子、異なる同位体を持つ。右の原子は核スピンを持つ同位体鉄57である。その結果、エネルギースペクトルに2つのピークが観測され、核スピンの2つの可能な配向に対応する。画像提供：QNS。

原子核は陽子と中性子で構成され、陽子数が元素を定義し、中性子の配列が異なる同位体を生み出します。核磁気はスピン—微小な帯電球が回転するように振る舞う量子特性—に由来します。選ばれた同位体のみが核スピンを持ち、地球の核に匹敵する微小な磁場を生成します。この場を検出することは極めて困難で、従来のMRIは数兆個の核からの集合信号に依存しています。

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。高い核スピンを持つ2つの同位体は複数のピークを示し、各ピークは核の各配向に対応する。画像提供：QNS。

単一核を探査するため、周囲電子の磁場を利用します。電子スピンは核の約1000倍強い磁場を生成しますが、単一原子レベルでの測定は依然として困難です。我々のアプローチは超低温、振動遮断、極低温真空を組み合わせ、原子を固定しノイズフリーな測定を実現します。

図5：単一チタン原子を表面上の3つの異なる位置に移動させた様子。これによりスペクトルが変化する。核スピンとの相互作用が結合サイトの化学性に敏感だからである。画像提供：QNS。

スピン分解電子スピン共鳴（ESR）をSTMチップを探針兼アンテナとして用います。マイクロ波周波数を電子進動周波数—秒間数十億サイクル—に合わせることで、局所磁場の微細な変化を反映する共振周波数のシフトを検出します。この手法により、単一原子のスピン状態を分解能しつつ、その位置と周囲格子を同時にイメージングし、原子スケールでの磁気相互作用を前例のない視点で観察できます。

以前、この技術を用いて表面上の隣接する鉄およびチタン原子の磁場をマッピングしました。また、孤立したホルミウム原子が安定したナノスケール磁気メモリとして機能することも発見しました。これらの基礎的研究が結実し、今回、個々の核の磁気を測定し、その同位体情報を抽出するブレークスルーに至りました。

論文：表面上の個々の原子の超微細相互作用