最稳定的单原子是什么(研究人员发现超稳定单原子磁铁)
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最稳定的单原子是什么(研究人员发现超稳定单原子磁铁)
Aparajita Singha 博士在 QNS 使用其中一个支持 ESR 的 STM 系统。来源：QNS
梨花女子大学 (QNS) IBS 量子纳米科学中心的研究人员表明，位于氧化镁薄绝缘层上的镝原子在几天内具有磁稳定性。在Nature Communications 上发表的一项研究中，他们证明这些微小的磁铁对磁场和温度的波动具有极高的鲁棒性，并且只有在受到来自扫描隧道显微镜的高能电子的轰击时才会翻转。
使用这些超稳定但可切换的单原子磁铁，该团队展示了人工构建的量子架构内磁场的原子级控制。“这项工作中显示的磁场的原子尺度可调性和精密工程为量子逻辑设备和量子计算增加了一个新的范式，”Aparajita Singha 博士说，他作为 QNS 的博士后进行了这项研究，现在是马克斯普朗克固态研究所。
尽管磁性产生于单个原子的水平，也称为不成对自旋，但小原子团通常在磁性上非常不稳定，无需仔细控制其周围环境。在如此小的尺度上理解磁性是一个基本的物理问题，这对于创建量子位（量子计算的构建块）在技术上变得非常重要。
可以在扫描隧道显微镜 (STM) 中通过锋利的电极探针使用量子隧道效应来研究和控制如此小尺度的磁性。可以使用单原子电子自旋共振 (ESR) 测量这些原子自旋的指纹。QNS 的研究团队结合使用这些强大的技术，找到了实现长期寻求的坚固单原子磁铁的合适条件。
“创造最小的超稳定磁体绝非易事。它需要在测量技术的极限下运行并找到合适的条件。在双层 MgO 基板上，Dy 原子几乎是孤立的，但仍然感觉有足够的方向性以在几天内保持明确的极性，”Singha 博士说。
为了能够冻结单个原子并测量它们的微小信号，该团队创造了一个极端的物理环境，包括：(a) 比室温小 1000 倍的温度，原子停止在表面漂移，(b) 真空比真空强空间，这样原子就不会被杂质污染，否则会使我们的结果产生偏差，以及 (c) 除了所需的单个原子之外，顶部几乎没有任何东西的超清洁晶体表面。至于工具本身，他们在 STM 尖端上一个一个地拾取单个 Fe（铁）原子，直到在 ESR 中达到足够的信噪比，即使没有任何外部磁场（通常为 30-50原子）。由于超稳定 Dy 原子磁体（4f 轨道）的电子态对于 STM 测量来说太屏蔽了，研究人员在一个更容易测量的传感器 Fe-atom 上测量了它的磁场投影，该传感器放置在同一表面的指定位置。使用相同的 STM 尖端，他们还在传感器 Fe 原子周围的晶体基板的不同晶格位置布置了单个 Dy 原子磁体。故意翻转单个 Dy 原子磁体以精确的离散性改变了传感器 Fe 原子位置处的磁场，然后使用 ESR 测量其在几天内保持稳定。
放置在原子级精确位置的可切换超稳定单原子磁铁为极其局部但精确的磁场控制提供了一个工具箱。一旦设置了磁性状态，它就会自动保持，无需庞大而昂贵的外部磁铁。Singha 博士总结道：“磁场的原子级可调性是未来基于表面的量子电路的强大控制工具。”
更多信息: A. Singha et al, Engineering atomic-scale magnetic fields by dysprosium single atom magnets, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24465-2
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