Магнетизм широко используется в технологиях от жестких дисков до магнитного резонанса и даже в конструкциях квантовых компьютеров. Теоретически каждый атом или молекула обладает потенциалом быть магнитным, поскольку это зависит от движения их электронов.
Электроны движутся двумя способами: вращением, которое можно условно представить как вращение вокруг себя, и орбитой, которое относится к движению электрона вокруг ядра своего атома. Вращение и орбитальное движение вызывают намагничивание, подобное электрическому току, циркулирующему в катушке и создающему магнитное поле.
Таким образом, направление вращения электронов определяет направление намагниченности материала.Магнитные свойства материала имеют определенное «предпочтение» или «упорство» по отношению к определенному направлению.
Это явление называется «магнитной анизотропией» и описывается как «зависимость от направления» магнетизма материала. Изменение этого «предпочтения» требует определенного количества энергии. Полная энергия, соответствующая магнитной анизотропии материала, является фундаментальным ограничением для уменьшения масштаба магнитных устройств, таких как MRAM, жесткие диски компьютеров и даже квантовые компьютеры, которые используют разные состояния спина электронов как отдельные информационные единицы или «кубиты».Команда Харальда Бруна из EPFL, работая с учеными из ETH Zurich, Института Пола Шеррера и Исследовательского центра IBM в Альмадене, разработала метод определения максимально возможной магнитной анизотропии для отдельного атома кобальта.
Кобальт, который классифицируется как «переходный металл», широко используется в производстве постоянных магнитов, а также в материалах для магнитной записи для хранения данных.Исследователи использовали метод, называемый неупругой электронной туннельной спектроскопией, чтобы исследовать квантовые спиновые состояния одиночного атома кобальта, связанного со слоем MgO.
В методе используется сканирующий наконечник размером с атом, который позволяет электронам проходить (или «туннелировать») к связанному атому кобальта. Проходя через туннель, электроны передают энергию атому кобальта, вызывая изменения его спиновых свойств.Эксперименты показали максимальную энергию магнитной анизотропии одиночного атома (~ 60 миллиэлектрон-вольт) и самое большое время жизни спина для одиночного атома переходного металла. Эта большая анизотропия приводит к замечательному магнитному моменту, который был определен с помощью измерений на основе синхротрона на канале X-Treme на швейцарском источнике света.
Хотя эти открытия являются фундаментальными, они открывают путь к лучшему пониманию магнитной анизотропии и представляют систему модели одного атома, которую можно предположительно использовать в качестве будущего «кубита».«Квантовые вычисления используют квантовые состояния материи, и магнитные свойства являются таким квантовым состоянием», — говорит Харальд Брюн. «У них есть время жизни, и вы можете использовать отдельные поверхностно адсорбированные атомы для создания кубитов.
Наша система является моделью для такого состояния. Она позволяет нам оптимизировать квантовые свойства, и это проще, чем предыдущие, потому что мы точно знать, где находится атом кобальта по отношению к слою MgO ".