Pesquisadores do Centro de Nanociência Quântica (QNS) do Instituto de Ciências Básicas (IBS) na Coréia do Sul fizeram um grande avanço científico ao detectar o magnetismo nuclear, ou "spin nuclear" de um único átomo. Em uma colaboração internacional com a IBM Research, a Universidade de Oxford e o Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, Os cientistas do QNS usaram técnicas avançadas e inovadoras para medir o spin nuclear de átomos individuais em superfícies pela primeira vez.

Normalmente o spin nuclear, que descreve o magnetismo do núcleo do átomo, só pode ser detectado em grandes números. As evidências, publicado hoje no jornal Ciência , mostre que agora isso também é possível para átomos individuais em uma superfície. Para fazer isso, a equipe usou um Microscópio de Tunelamento de Varredura na IBM Research, que consiste em uma ponta de metal atomicamente afiada e permite aos pesquisadores criar imagens e sondar átomos individuais.

Os dois elementos que foram investigados neste trabalho, ferro e titânio, são átomos que podem ter um número diferente de nêutrons no núcleo do átomo, estes são os chamados isótopos. Apenas alguns isótopos de cada elemento têm um núcleo com spin nuclear. Normalmente é extremamente difícil medir spins nucleares de átomos individuais. Tradicionalmente, grandes números de giros nucleares são necessários, tornando este avanço tão notável.

A fim de detectar a presença de um spin nuclear dentro do núcleo de um único átomo, a equipe fez uso da interação hiperfina. Este fenômeno descreve o acoplamento entre o spin nuclear de um único átomo e sua contraparte eletrônica, que geralmente é muito mais fácil de acessar. Dr. Philip Willke do Center for Quantum Nanoscience (QNS), primeiro autor do estudo, diz:"Descobrimos que a interação hiperfina de um átomo mudou quando o movemos para uma posição diferente na superfície ou se movemos outros átomos próximos a ele. Em ambos os casos, a estrutura eletrônica do átomo muda e o spin nuclear nos permite detectar isso. "

Os pesquisadores planejam usar essa sensibilidade da interação hiperfina dentro do ambiente químico como um sensor quântico. "Os spins nucleares já são usados ​​para imagens biológicas em máquinas de ressonância magnética em hospitais." diz o Dr. Yujeong Bae também da QNS, um co-autor neste estudo. "De forma similar, em nosso experimento, o spin nuclear nos permite medir as propriedades da estrutura eletrônica de átomos e moléculas que, de outra forma, permaneceriam ocultas. "

A longo prazo, pesquisadores da QNS querem armazenar informações no spin nuclear do átomo. Ano passado, a mesma colaboração com a IBM conseguiu armazenar, ler e escrever um pouco de informação digital usando o spin eletrônico de apenas um único átomo de hólmio. Da mesma maneira, spins nucleares podem servir como bits na escala subatômica. A equipe também planeja usar sua técnica para testar caminhos para a computação quântica. Embora ainda esteja no início do desenvolvimento, a computação quântica promete superar amplamente os computadores clássicos em tarefas como gerenciamento de banco de dados, procurar, e otimização. Os spins nucleares são excelentes candidatos para esses bits quânticos, uma vez que eles estão bem isolados do ambiente através da camada atômica, um requisito para dispositivos de informação quântica.

"Estou muito animado com esses resultados. É certamente um marco em nosso campo e tem implicações muito promissoras para pesquisas futuras." disse o Prof. Andreas Heinrich, Diretor do QNS. "Ao abordar os spins nucleares individuais, podemos obter um conhecimento mais profundo sobre a estrutura da matéria e abrir novos campos de pesquisa básica."