Por primera vez se logra “sintonizar” el campo magnético de un solo átomo

Por primera vez, los físicos midieron directamente la energía de la interacción de intercambio entre dos átomos, uno de los cuales estaba unido al extremo de la aguja de un microscopio de exploración de túneles. En otras palabras, los científicos “sintonizaron” el campo magnético en las proximidades del segundo átomo y lo “magnetizaron”. El artículo fue publicado en Physical Review Letters, y la preimpresión está disponible en el sitio arXiv.org.

De acuerdo con la ley de Moore, la cantidad de transistores en un circuito integrado (y al mismo tiempo su rendimiento) se duplica cada dos años. Al mismo tiempo, la ley de escalamiento Dennard sostiene que la forma más rentable de duplicar el rendimiento de un circuito es reducir el tamaño de los transistores. Esto le permite disminuir el voltaje aplicado a la compuerta del transistor y aumentar su velocidad de conmutación.

Por supuesto, no hay justificaciones estrictas para estas leyes, y en la práctica solo funcionan aproximadamente, y a mediados de la última década, la producción de procesadores comenzó gradualmente a retrasarse con respecto a estas leyes. Sin embargo, el proceso de fabricación de procesadores continúa acercándose constantemente al tamaño de los átomos y moléculas individuales.

Espitrónica

Sin embargo, a tal escala, los equipos electrónicos convencionales pueden perder a los dispositivos espintrónicos que los físicos han estado desarrollando desde mediados de los años noventa. A diferencia de la electrónica, en la que la carga de electrones desempeña un papel clave, la espintrónica funciona con el giro de las partículas. Uno de los primeros dispositivos espintrónicos que ya está firmemente establecido en nuestra vida es un disco duro (HDD). Sin embargo, en el marco de la espintrónica, es posible crear otros análogos de los dispositivos electrónicos habituales, por ejemplo, un diodo de espín.

Sin embargo, los dispositivos espintrónicos aún no han alcanzado la escala de los átomos individuales. La importancia decisiva en la transición a esta “última frontera” es la estabilidad del eje de cuantización, a lo largo de la cual se construye el giro del átomo. Como norma, los científicos confían en la anisotropía magnetocristalina para definir este eje.

Desafortunadamente, este método es sensible a las perturbaciones a lo largo del eje cristalino; por lo tanto, su estabilidad es baja. Pero, hay otra forma de controlar la magnetización de los átomos, en función de su interacción de intercambio. En términos generales, esta interacción se asemeja a la interacción de dos imanes de refrigerador, que se magnetizan entre sí solo en una cierta orientación. Es cierto que, a diferencia de los imanes, la interacción de intercambio se basa en la superposición de las funciones de onda de dos átomos que interactúan.

Debido a esto, la interacción está altamente localizada en el espacio: la función de onda de electrones en un átomo de hidrógeno disminuye exponencialmente con la distancia desde el núcleo. Teóricamente, esto le permite ajustar con mucha precisión los parámetros de los átomos individuales.

El experimento

Ahora un grupo de físicos liderados por Kai Yang implementó este método en la práctica y por primera vez midió la interacción de intercambio entre dos átomos. Los científicos utilizaron un átomo de titanio con un giro de medio entero como “átomo sintonizable”. Si colocamos dicho átomo en un campo magnético externo, gracias al efecto Zeeman, su estado fundamental se dividirá en dos estados correspondientes a la orientación del giro a lo largo y en contra del campo magnético. En tales estados, el propio átomo crea un campo magnético. Para aumentar la vida útil de dichos estados y hacer que la imagen de los procesos que tienen lugar sea más clara, los científicos colocaron un átomo en una capa delgada de aislante (óxido de magnesio) que lo separa de la superficie metálica (plata (100)). Por la misma razón, los físicos enfriaron el sistema a 0.6 Kelvin.

Finalmente, los investigadores tomaron un átomo de hierro unido a la aguja de un microscopio de exploración de túneles como “átomo de grabación. Debido a las rápidas oscilaciones del giro de este átomo, su campo magnético puede considerarse clásico. Además, al ajustar la distancia entre la punta de la aguja y la superficie, se puede controlar la intensidad de la interacción de intercambio entre dos átomos y, en consecuencia, la intensidad de campo del átomo “sintonizable”.

Para estimar la energía de la interacción de intercambio, los científicos utilizaron la espectroscopia de túnel de electrones inelástica (IETS) y la resonancia de espín de electrones. El primer método se basa en el hecho de que los electrones que atraviesan un túnel a través de una capa aislante pueden excitar un átomo de titanio y transferirlo a un estado con orientación de giro opuesta.

Por un lado, debe medirse la conductividad de la muestra en la que se coloca el átomo. Por otro lado, el cambio es más fuerte, cuanto más fuerte se magnetiza el átomo, es decir, mayor es la energía de la interacción de intercambio. En consecuencia, es posible restaurar esta energía del espectro IETS, sin embargo, solo si supera un cierto valor crítico. A energías más bajas, se debe utilizar el segundo método, que se basa en la absorción resonante de la radiación electromagnética por los electrones del átomo de titanio. Teóricamente, la resolución del primer método está en el nivel de varios milielectrónvoltios, el segundo método, en el nivel de cientos de nanoelectronvoltios.

Como se esperaba, la energía de la interacción de intercambio disminuyó exponencialmente al aumentar la distancia entre los átomos. En el curso del experimento, la energía cambió casi diez mil veces, comenzando desde las décimas de un nanoelectronvoltio a una distancia de aproximadamente 4.5 angstroms y terminando con aproximadamente un milielectronvoltio a una distancia de aproximadamente un angstrom. Si convertimos la energía en intensidad de campo magnético, esto corresponderá a diferencias de un mililitro a diez teslas (la intensidad de campo magnético de la Tierra es de aproximadamente 10 microtesla).

La primera vez

Según los autores del artículo, el cambio en la energía de la interacción de intercambio de dos átomos no se había medido claramente antes; por lo tanto, la precisión de tales mediciones fue significativamente menor que en el nuevo artículo. En el futuro, su trabajo es útil no solo en el desarrollo de dispositivos espintrónicos, sino también en mediciones precisas. En particular, los científicos creen que al usar una configuración similar, puede “escanear” la estructura de los orbitales de un átomo polarizado.

En términos generales, los físicos han estado aprendiendo durante mucho tiempo a medir y controlar el campo magnético de átomos individuales o moléculas. Por ejemplo, en noviembre de 2015, los físicos de Japón y Taiwán rastrearon el estado de giro de los “imanes monoatómicos”: átomos individuales de hierro o cromo incrustados en una red de grafeno.

Luego, en octubre de 2018, los químicos de Gran Bretaña y China crearon un imán molecular, un compuesto que puede preservar la magnetización de un átomo individual. El compuesto sintetizado se basó en disprosio y se trabajó a temperatura de nitrógeno líquido. Y el mes pasado, físicos de los Estados Unidos y China construyeron el primer magnetómetro del tamaño de una sola molécula.

Fuente: nmas1.org

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