Au diapason du cœur d'un atome de cuivre

Notre équipe d'IBM Research a développé une nouvelle technique permettant de contrôler le magnétisme d'un seul atome de cuivre. Cette technologie 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 pouvions 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, technique qui révèle de manière non invasive des images du corps complexes et détaillées. 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 tunnel à balayage (STM), l’invention d’IBM lauréate du prix Nobel permettant de visualiser et de déplacer des atomes individuellement, une avancée importante car le STM peut visualiser et positionner chaque atome pour étudier comment la RMN change et répond à l'environnement local. En balayant la pointe ultra-pointue de l'aiguille métallique du STM sur la surface, le STM peut détecter la forme d'atomes individuels et peut tirer ou transporter des atomes dans les arrangements souhaités.

Effectuer une RMN sur un seul atome nécessite deux étapes principales. Premièrement, nous avons polarisé (orienté dans une direction bien définie) la direction magnétique du noyau. Ensuite, nous avons manipulé le magnétisme du noyau en appliquant des ondes radio émanant de la pointe d’une aiguille métallique tranchante. Les ondes radio sont accordées précisément à la fréquence naturelle du noyau.

L'atome de cuivre avec un coeur magnétique

Le cuivre est abondant et largement utilisé dans notre vie quotidienne, du câblage électrique dans les maisons à la connexion de circuits individuels à des puces. 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 des atomes de cuivre individuels ne sont pas entourés par d'autres atomes de cuivre.

Lorsque vous réduisez la technologie à l'extrême extrême fondamentale – l'échelle atomique – un seul atome de cuivre peut devenir magnétique, en fonction de la manière dont il interagit avec les atomes voisins qui contiennent le cuivre. Dans notre expérience, nous avons rendu l'atome de cuivre magnétique 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, de manière remarquable, est également magnétique. Lorsque nous assemblons deux aimants de réfrigérateur, ils attirent ou repoussent. Une physique similaire s'applique à l'aimant électronique et à l'aimant nucléaire, et la force magnétique entre eux tend à les aligner, de sorte qu'ils pointent dans la même direction. Le terme technique désignant 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 de manière aléatoire en raison de la chaleur, même refroidie à une température extrêmement basse, comme dans nos expériences. Cela rend difficile le contrôle de la direction magnétique du noyau, appelée son "spin", 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 dans une direction. Mais la chaleur perturbe cet alignement de sorte que les noyaux se dirigent presque dans des directions aléatoires, avec seulement une légère tendance à suivre le champ. En conséquence, l'IRM nécessite plusieurs trillions d'atomes pour produire un signal mesurable. Pour contrôler le noyau d'un seul atome, l'alignement de celui-ci doit être beaucoup plus prévisible, ce qui constitue un défi majeur. Ensuite, chaque atome doit être détecté individuellement pour détecter un signal de RMN.

Pour surmonter ces difficultés, nous utilisons l'électron en orbite autour du noyau, à la fois 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 à détecter la direction résultante. En détectant et en contrôlant l'électron de cuivre à l'aide d'un courant électrique, nous détectons et contrôlons le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre.

Notre atome de cuivre est fixé à une surface soigneusement choisie, l'oxyde de magnésium, qui nous permet de sonder le magnétisme du cuivre. Pour traiter le magnétisme nucléaire d'un seul atome de cuivre, notre équipe a mis au point une pointe magnétique spécialisée pour le microscope en plaçant un seul atome de fer à son extrémité extrême, ce qui permet de manipuler et de détecter le très faible magnétisme d'un noyau atomique unique.

RMN à un 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. Cette méthode est similaire à la technique du couple de transfert de spin, la méthode utilisée pour écrire des informations dans des bits magnétiques dans la mémoire d'ordinateur de nouvelle génération appelée MRAM. L'animation ci-dessus montre comment le magnétisme est transféré au noyau. Une fois le noyau défini dans l’orientation souhaitée, nous devons lire le signal à peine tangible de l’orientation nucléaire. Pour ce faire, nous utilisons le spin de l'électron résidant sur le même atome qu'un émetteur, à partir d'un précédent article publié le mois dernier. Nous utilisons une technique appelée "Résonance de spin électronique (ESR)" appliquée à des atomes individuels, une fonctionnalité développée dans le laboratoire IBM Research – Almaden il y a trois ans.

Notre équipe a fait un deuxième grand pas dans ce travail en démontrant la RMN d'un seul atome, en utilisant une onde radio transmise à l'atome à travers la pointe du microscope. Les techniques de RMN sont largement utilisées pour étudier la structure des molécules et pour visualiser les structures internes du corps humain. Étant donné que le noyau de cuivre est magnétique, un champ magnétique exerce une force qui le fait se transformer, ce qui ressemble à une toupie qui trace les surfaces en forme de cône alors qu'elles précèdent le champ de gravitation terrestre. Les minuscules noyaux de cuivre "en rotation" ne peuvent s'orienter que de quatre manières différentes par rapport au champ magnétique, conformément aux 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 radioélectrique émise par l'extrémité pointue du STM sur la fréquence caractéristique de "l'antenne nucléaire", nous pouvons faire pivoter l'orientation du spin nucléaire par résonance.

Nous combinerons cette nouvelle capacité à contrôler le spin du noyau et la capacité du STM à organiser des atomes pour construire et sonder des dispositifs électroniques et magnétiques fonctionnant à l'échelle atomique, visant à utiliser des spins nucléaires pour traiter des informations quantiques.

Explorer plus loin:
Percée dans l'accès à l'aimant minuscule dans le noyau d'un seul atome

Plus d'information:
Kai Yang et al. Polarisation nucléaire à commande électrique d'atomes individuels, Nature Nanotechnologie (2018). DOI: 10.1038 / s41565-018-0296-7