Peneliti Identifikasi Magnet Atom Tunggal Yang Sangat Stabil – Para peneliti di IBS Center for Quantum Nanoscience di Ewha Womans University (QNS) telah menunjukkan bahwa atom disprosium yang bertumpu pada lapisan tipis magnesium oksida memiliki stabilitas magnetik selama berhari-hari.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature Communications mereka telah membuktikan bahwa magnet kecil ini memiliki ketahanan yang ekstrim terhadap fluktuasi medan magnet dan suhu dan akan membalik hanya ketika mereka dibombardir dengan elektron energi tinggi dari mikroskop tunneling pemindaian. sbowin
Dengan menggunakan magnet atom tunggal yang sangat stabil namun dapat diganti ini, tim telah menunjukkan kontrol skala atom dari medan magnet dalam arsitektur kuantum yang dibangun secara artifisial.
“Kemampuan skala atom dan rekayasa presisi medan magnet yang ditunjukkan dalam karya ini menambahkan paradigma baru untuk perangkat logika kuantum dan komputasi kuantum,” kata Dr. Aparajita Singha yang melakukan penelitian sebagai post doc di QNS dan sekarang menjadi pemimpin kelompok di Institut Max Planck untuk Penelitian Solid State. https://www.mustangcontracting.com/
Meskipun magnet muncul pada tingkat atom tunggal, juga disebut spin tidak berpasangan, gugus atom kecil umumnya secara magnetis sangat tidak stabil tanpa kontrol yang cermat terhadap lingkungannya.
Memahami sifat magnetik pada skala kecil seperti itu adalah masalah fisika mendasar, yang secara teknis menjadi sangat penting untuk menciptakan qubit—blok bangunan untuk komputasi kuantum.
Magnetisme pada skala kecil seperti itu dapat dipelajari dan dikendalikan menggunakan tunneling kuantum melalui probe elektroda tajam dalam mikroskop tunneling pemindaian (STM).
Sidik jari dari putaran atom ini dapat diukur menggunakan resonansi spin elektron atom tunggal (ESR). Tim peneliti di QNS menggabungkan penggunaan teknik yang kuat ini untuk menemukan kondisi yang tepat untuk mencapai magnet atom tunggal kuat yang telah lama dicari.
“Membuat magnet ultra-stabil terkecil jauh dari usaha kecil. Dibutuhkan operasi pada batas teknik pengukuran dan menemukan kondisi yang tepat. Pada substrat MgO dua lapis, atom Dy hampir terisolasi tetapi masih terasa cukup terarah untuk mempertahankan polaritas yang ditentukan selama berhari-hari,” menurut Dr. Singha.
Untuk dapat membekukan atom tunggal dan mengukur sinyal kecil mereka, tim menciptakan lingkungan fisik yang ekstrim, termasuk: (a) suhu 1000 kali lebih kecil dari suhu kamar, di mana atom berhenti melayang di permukaan, (b) vakum lebih kuat dari kosong ruang, sehingga atom tidak terkontaminasi oleh pengotor yang sebaliknya akan membiaskan hasil kami, dan (c) permukaan kristal sangat bersih dengan hampir tidak ada apa pun di atasnya selain atom tunggal yang diinginkan.
Adapun alat itu sendiri, mereka mengambil atom Fe (besi) tunggal satu per satu di ujung STM hingga mencapai rasio signal-to-noise yang cukup di ESR, bahkan tanpa adanya medan magnet eksternal (umumnya 30-50 atom). Karena keadaan elektronik magnet Dy-atom ultrastabil (orbital 4f) terlalu terlindung untuk pengukuran STM, para peneliti mengukur proyeksi medan magnetnya pada sensor atom Fe yang lebih mudah diukur, ditempatkan di lokasi yang ditentukan pada permukaan yang sama.
Menggunakan ujung STM yang sama, mereka juga mengatur magnet atom Dy tunggal di lokasi kisi yang berbeda dari substrat kristal di sekitar atom Fe sensor.
Pembalikan yang disengaja dari masing-masing magnet Dy-atom mengubah medan magnet di lokasi sensor Fe-atom dengan diskrit yang tepat, yang kemudian diukur agar stabil selama berhari-hari menggunakan ESR.
Magnet atom tunggal ultrastabil yang dapat diganti yang ditempatkan di lokasi yang tepat secara atom menyediakan kotak peralatan untuk kontrol medan magnet yang sangat lokal namun presisi.
Setelah keadaan magnet diatur, itu dipertahankan secara otomatis tanpa perlu magnet eksternal yang besar dan mahal. Dr Singha menyimpulkan bahwa, “tunability skala atom dari medan magnet adalah alat kontrol yang kuat untuk sirkuit kuantum berbasis permukaan masa depan.”