Des chercheurs du Center for Quantum Nanoscience (QNS) de l'Institute for Basic Science (IBS) de l'Ewha Womans University ont réalisé une percée scientifique majeure en réalisant la plus petite imagerie par résonance magnétique (IRM) au monde. Dans une collaboration internationale avec des collègues des États-Unis, Les scientifiques de QNS ont utilisé leur nouvelle technique pour visualiser le champ magnétique d'atomes isolés.

Les IRM sont régulièrement réalisées dans les hôpitaux dans le cadre de l'imagerie diagnostique. Les IRM détectent la densité de spins – les aimants fondamentaux des électrons et des protons – dans le corps humain. Traditionnellement, des milliards de tours sont nécessaires pour une IRM. Les nouvelles découvertes, publié aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , montrent que ce processus est désormais également possible pour un atome individuel sur une surface. Pour faire ça, l'équipe a utilisé un microscope à effet tunnel, qui se compose d'une pointe métallique atomiquement pointue qui permet aux chercheurs d'imager et de sonder des atomes uniques en balayant la pointe à travers la surface.

Les deux éléments qui ont été investigués dans ce travail, fer et titane, sont tous deux magnétiques. Grâce à une préparation précise de l'échantillon, les atomes étaient facilement visibles au microscope. Les chercheurs ont ensuite utilisé la pointe du microscope comme un appareil d'IRM pour cartographier le champ magnétique tridimensionnel créé par les atomes avec une résolution sans précédent. Afin de le faire, ils ont attaché un autre groupe de spins à la pointe métallique pointue de leur microscope. Semblable aux aimants de tous les jours, les deux vrilles s'attireraient ou se repousseraient en fonction de leurs positions relatives. En balayant le cluster de spin de pointe sur l'atome à la surface, les chercheurs ont pu cartographier l'interaction magnétique. L'auteur principal, le Dr Philip Willke de QNS, déclare :"Il s'avère que l'interaction magnétique que nous avons mesurée dépend des propriétés des deux spins, celui sur la pointe et celui sur l'échantillon. Par exemple, le signal que nous voyons pour les atomes de fer est très différent de celui des atomes de titane. Cela nous permet de distinguer différents types d'atomes par leur signature de champ magnétique, et rend notre technique très puissante."

Les chercheurs prévoient d'utiliser leur IRM à un seul atome pour cartographier la distribution des spins dans des structures plus complexes telles que des molécules et des matériaux magnétiques. "De nombreux phénomènes magnétiques ont lieu à l'échelle nanométrique, y compris la génération récente de dispositifs de stockage magnétique, " dit le Dr Yujeong Bae également de QNS, co-auteur de cette étude. "Nous prévoyons maintenant d'étudier une variété de systèmes à l'aide de notre IRM microscopique." La capacité d'analyser la structure magnétique à l'échelle nanométrique peut aider les chercheurs à développer de nouveaux matériaux et médicaments. De plus, l'équipe de recherche souhaite utiliser ce type d'IRM pour caractériser et contrôler les systèmes quantiques. Ceux-ci sont d'un grand intérêt pour les futurs schémas de calcul, également connu sous le nom d'informatique quantique.

"Je suis très enthousiasmé par ces résultats. C'est certainement une étape importante dans notre domaine et a des implications très prometteuses pour la recherche future." dit le professeur Andreas Heinrich, Directeur de QNS. "La capacité de cartographier les spins et leurs champs magnétiques avec une précision auparavant inimaginable nous permet d'acquérir des connaissances plus approfondies sur la structure de la matière et ouvre de nouveaux domaines de recherche fondamentale."