IBM研究人员可以控制单个铜原子的磁性

IBM研究院的科学家们已经开发出一种新技术来控制单个铜原子的磁性，为允许单个原子核存储和处理信息铺平了道路。

加利福尼亚州圣何塞市IBM Almaden研究中心的科学家Christopher Lutz和Kai Yang在博客文章中说，他们想出了如何接触铜原子的核心。在感测和控制单个核的磁性方面的这一突破可能有一天会导致极小磁存储器件的发展。

在今天发表在“ 自然纳米技术 ”杂志上的一篇论文中，该团队证明它可以通过一次一个原子进行核磁共振（NMR）来控制单个原子核的磁性。

IBM表示，这种磁控制可能导致未来在单个原子核上存储信息，将核本身转变为四态设备。相比之下，诸如磁随机存取存储器（MRAM）的下一代磁存储器在双态或二进制器件上需要大约100,000个原子来保持一位。

核磁共振是磁共振成像或核磁共振成像技术的基础，这种技术可以非侵入性地揭示身体的复杂细节图像。NMR也是用于确定分子结构的关键工具。

上图：IBM的Christopher Lutz和Kai Yang。

图片来源：IBM

这是第一次使用扫描隧道显微镜（STM）实现核磁共振，这是一项获得诺贝尔奖的IBM发明，可以单独观察和移动原子。

STM可以对每个原子进行成像和定位，以研究核磁共振如何变化并响应当地环境。通过扫描STM金属针的超尖端穿过表面，STM可以感知单个原子的形状，并可以将原子拉入或携带到所需的排列中。

在单个原子上进行NMR需要两个主要步骤。首先，研究人员对核的磁方向进行极化（以明确定义的方向定向）。然后他们通过施加从尖锐金属针尖端发出的无线电波来操纵原子核的磁性。

无线电波精确地调整到核的固有频率。铜原子丰富并广泛应用于我们的日常生活中，从房屋中的电线到连接微芯片中的各个电路。

上图：IBM扫描隧道显微镜（STM）。

图片来源：IBM

金属铜的有用性源于其出色的导电能力。铜的磁性质知之甚少 - 我们从未看到过被磁铁吸引的铜片。但IBM表示，当铜原子没有被其他铜原子包围时，铜的磁性就会变为现实。

当你将技术缩减到最基本的极端 - 原子尺度 - 一个铜原子就会变成磁性，这取决于它与相邻的原子相互作用的方式。

在IBM的实验中，科学家通过将铜原子附着在由氧化镁组成的精心选择的表面上，使铜原子具有磁性。这种磁性来自铜原子中的电子。这些电子在原子核周围循环 - 原子的“心脏” - 也是磁性的。

当你把两个冰箱磁铁放在一起时，它们会吸引或排斥。类似的物理定律适用于电子磁体和核磁体，两者之间的磁力倾向于使它们对齐，因此它们指向相同的方向。

核的弱磁信号使得检测和控制具有挑战性。核磁体非常小，即使在冷却到极低温度时，其取向也会因热而随机波动，如最近的实验。这使得难以控制核的磁方向，称为“旋转”，以便使用它来处理信息并感测其他磁体。

在MRI成像中，使用非常大的磁场来对准身体原子中的原子核以指向一个方向。但是热量破坏了这种对齐，因此核几乎指向随机方向，只有轻微的跟随场的倾向。

结果，在MRI中需要数万亿个原子来产生可测量的信号。为了控制单个原子的核，它必须更加可预测地对齐，这是一个重大挑战。然后必须单独检测每个原子以检测NMR信号。

为了克服这些挑战，IBM使用围绕核心运行的电子作为信使，以及经理。铜原子内的电子通过超精细相互作用与原子核“对话”，以便推动原子核指向所需的方向，然后感知产生的方向。

研究人员包括Kai Yang，Philip Willke，Yujeong Bae，AlejandroFerrón，Jose L. Lado，Arzhang Ardavan，JoaquínFernández-Rossier，Andreas J. Heinrich和Christopher P. Lutz。