世界上最小的MRI机器捕获单个原子的磁场图像

在世界上首先,科学家已经捕获了原子磁场的图像,为量子水平上的物质与物质相互作用的新途径打开了大门,供量子现象的量子现象商业应用,如量子计算。

世界上最小的MRI机器首次成像原子的磁场

位于韩国首尔梨花女子大学的基础科学研究所量子纳米科学中心(QNS)的研究人员使用世界上最小的磁共振成像(MRI)机器来捕获单个原子的磁场首次。

本月发表在自然物理学杂志上,QNS团队的工作为量子水平上与物质相互作用的全新方式打开了大门,涉及从基础研究到量子现象的商业和工业应用,如激光,量子计算和医疗诊断。“我对这些结果感到非常兴奋,”QNS主任Andreas Heinrich教授说,“这无疑是我们领域的一个里程碑,对未来的研究具有非常有希望的意义。”

MRI机器通过测量“自旋”的相对密度来工作,“自旋”是电子和质子之间磁力的来源。通常,MRI机器需要数十亿次这些旋转来制作图像,但宏观层面的过程与单个原子相同,因此记录单个原子的磁场需要创建一种检测单个磁场的方法在数十亿其他人中。

为此,QNS科学家使用扫描隧道显微镜(STM),其尖端与单个原子一样锋利,并允许科学家在沿着表面扫描时与单个原子相互作用。研究人员选择专注于两个原子,特别是铁和钛,它们都具有磁活性,并且由于它们精确地放置在氧化镁表面上,原子本身已经被使用STM正常的研究人员所见。

为了探测原子的磁场,科学家将另一个磁性活动的“自旋簇”连接到STM的金属尖端,然后它们像以前一样经过原子。然而,现在,研究人员可以记录原子磁场的拉力或排斥力,正如通常使用的相反或类似电荷磁体的行为方式,正如STM尖端上的自旋簇所检测到的那样。

这样做给了研究人员一个令人难以置信的详细3D视图,他们正在经过的单个原子产生磁场。更重要的是,铁原子和钛原子以不同的方式和不同的程度与尖端上的自旋簇相互作用,使得有可能确定从与尖端上的自旋簇的相互作用中传递的原子的类型。 STM。

“事实证明,我们测量的磁性相互作用取决于两个旋转的特性,尖端和样品上的特性,”主要作者Philip Willke博士说。“例如,我们看到的铁原子信号与钛原子的信号大不相同。这使我们能够通过磁场特征区分不同种类的原子,使我们的技术非常强大。”

研究人员希望他们的技术能够探索纳米尺度上更复杂的结构,例如化学化合物中原子的自旋分布,或者允许对磁性材料进行精确控制,例如现代磁性存储设备所使用的磁性材料。研究报告的共同作者Yujeong Bae博士说:“纳米尺度上发生了许多磁现象,包括最近一代的磁存储装置。我们现在计划用显微镜MRI研究各种系统。”

研究人员希望他们的技术甚至可以帮助控制和进一步开发通信或计算的量子系统,这对于仍然没有真正令人满意的解决方案的量子计算系统来说是一个主要问题。

这个解决方案是否属于QNS团队的新MRI技术仍有待观察,但它确实开辟了一条值得探索的新研究途径。“能够以前所未有的精确度绘制旋转及其磁场的能力,使我们能够深入了解物质结构并开辟新的基础研究领域,”Heinrich说。

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