Notre équipe d'IBM Research a développé une nouvelle technique pour contrôler le magnétisme d'un seul atome de cuivre, une technologie qui pourrait un jour permettre à des noyaux atomiques individuels de stocker et de traiter des informations.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie , notre équipe a démontré que nous pouvons contrôler le magnétisme du noyau d'un seul atome en effectuant la résonance magnétique nucléaire (RMN) un atome à la fois. La RMN est le processus qui sous-tend l'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, la technique qui révèle de manière non invasive des images détaillées du corps. La RMN est également un outil essentiel utilisé pour déterminer les structures des molécules.

C'est la première fois que la RMN est réalisée à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), l'invention d'IBM, lauréate du prix Nobel, qui permet de visualiser et de déplacer les atomes individuellement, une percée importante car le STM peut imager et positionner chaque atome pour étudier comment la RMN change et réagit à l'environnement local. En balayant la pointe ultra-pointue de l'aiguille métallique du STM sur toute la surface, le STM peut détecter la forme d'atomes individuels et peut attirer ou transporter des atomes dans les arrangements souhaités.

Réaliser la RMN sur un seul atome nécessite deux étapes principales. D'abord, nous avons polarisé (orienté dans une direction bien définie) la direction magnétique du noyau. Puis, nous avons manipulé le magnétisme du noyau en appliquant des ondes radio émanant de la pointe d'une aiguille métallique pointue. Les ondes radio sont réglées précisément sur la fréquence naturelle du noyau.

L'atome de cuivre au cœur magnétique

Le cuivre est abondant et largement utilisé dans notre vie quotidienne, du câblage électrique dans les maisons au raccordement de circuits individuels dans des puces électroniques. L'utilité du cuivre métallique provient de sa capacité exceptionnelle à conduire l'électricité. Les propriétés magnétiques du cuivre sont beaucoup moins connues - on ne voit jamais un morceau de cuivre attiré par un aimant. Mais le magnétisme du cuivre prend vie lorsque les atomes de cuivre individuels ne sont pas entourés par d'autres atomes de cuivre.

Lorsque vous réduisez la technologie à l'extrême le plus fondamental - l'échelle atomique - un seul atome de cuivre peut devenir magnétique, selon la façon dont il interagit avec les atomes voisins qui contiennent le cuivre. Dans notre expérience, nous avons rendu magnétique l'atome de cuivre en le fixant à une surface soigneusement choisie composée d'oxyde de magnésium. Ce magnétisme provient des électrons de l'atome de cuivre. Ces électrons circulent autour du noyau – le « cœur » de l'atome – qui, remarquablement, est également magnétique. Lorsque nous assemblons deux aimants pour réfrigérateur, ils attirent ou repoussent. Une physique similaire est valable pour l'aimant électronique et l'aimant nucléaire, et la force magnétique entre eux tend à les aligner, donc ils pointent dans la même direction. Le terme technique pour cette force magnétique au sein de l'atome est interaction hyperfine.

Comment exploiter le magnétisme du noyau

Le faible signal magnétique du noyau le rend difficile à détecter et à contrôler. L'aimant nucléaire est si petit que son orientation fluctue aléatoirement en raison de la chaleur, même refroidi à une température extrêmement basse comme dans nos expériences. Cela rend difficile le contrôle de la direction magnétique du noyau, appelé son "tour, " afin de l'utiliser pour traiter des informations et détecter d'autres aimants. En imagerie IRM, un très grand champ magnétique est utilisé pour aligner les noyaux des atomes de votre corps pour qu'ils pointent dans une direction. Mais la chaleur perturbe cet alignement de sorte que les noyaux pointent presque dans des directions aléatoires, avec seulement une légère tendance à suivre le terrain. Par conséquent, plusieurs billions d'atomes sont nécessaires en IRM pour produire un signal mesurable. Pour contrôler le noyau d'un seul atome, il doit être aligné de manière beaucoup plus prévisible, un défi majeur. Ensuite, chaque atome doit être détecté individuellement pour détecter un signal RMN.

Pour surmonter ces défis, nous utilisons l'électron en orbite autour du noyau comme messager et comme gestionnaire. L'électron à l'intérieur de l'atome de cuivre "parle" avec le noyau par l'interaction hyperfine, afin de pousser le noyau à pointer dans la direction souhaitée, puis détecte la direction résultante. En détectant et en contrôlant l'électron de cuivre à l'aide de courant électrique, nous détectons et contrôlons le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre.

Notre atome de cuivre est attaché à une surface soigneusement choisie, oxyde de magnésium, qui nous permet de sonder le magnétisme du cuivre. Pour aborder le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre, notre équipe a développé une pointe magnétique spécialisée pour le microscope en plaçant un seul atome de fer à son sommet extrême, qui permet de manipuler et de détecter le très faible magnétisme d'un seul noyau atomique.

RMN à un seul atome avec initialisation contrôlée par le courant

En utilisant simplement un courant électrique, nous sommes en mesure de transférer l'orientation magnétique de la pointe du STM à l'orientation magnétique du noyau d'un atome de cuivre - le noyau. Ceci est similaire à la technique du couple de transfert de spin, la méthode utilisée pour écrire des informations sur des bits magnétiques dans la mémoire informatique de nouvelle génération connue sous le nom de MRAM. L'animation ci-dessus illustre comment le magnétisme est transféré au noyau. Une fois le noyau réglé dans l'orientation souhaitée, il faut lire le signal à peine tangible de l'orientation nucléaire. Pour faire ça, nous employons le spin électronique résidant sur le même atome qu'un émetteur, s'appuyant sur un article précédent publié le mois dernier. Nous utilisons une technique appelée "Electron Spin Resonance (ESR)" appliquée à des atomes individuels, une capacité développée dans le laboratoire IBM Research – Almaden il y a trois ans.

Notre équipe a franchi un deuxième grand pas dans ce travail en démontrant la RMN d'un seul atome, en utilisant une onde radio transmise à l'atome par la pointe du microscope. Les techniques de RMN sont largement utilisées pour étudier la structure des molécules et pour imager les structures internes du corps humain. Puisque le noyau de cuivre est magnétique, un champ magnétique exerce une force qui provoque son traitement, semblable à une toupie traçant des surfaces en forme de cône pendant qu'elles précessent dans le champ gravitationnel de la terre. Les minuscules noyaux de cuivre "en rotation" ne peuvent s'orienter que de quatre manières différentes par rapport au champ magnétique, selon les lois de la mécanique quantique. C'est pourquoi vous voyez quatre cônes associés au noyau dans la figure et l'animation. En réglant la fréquence de l'onde radio émise par la pointe acérée du STM, à la fréquence caractéristique de précession de "l'antenne nucléaire, " nous sommes capables de faire pivoter par résonance l'orientation du spin nucléaire.

Nous combinerons cette nouvelle capacité à contrôler le spin du noyau avec la capacité de la STM à arranger les atomes pour construire et sonder des dispositifs électroniques et magnétiques qui fonctionnent à l'échelle atomique, visant à utiliser les spins nucléaires pour traiter l'information quantique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation d'IBM Research. Lisez l'histoire originale ici.