Pesquisadores do IBS Center for Quantum Nanocience na Ewha Womans University (QNS) mostraram que os átomos de disprósio que repousam sobre uma fina camada isolante de óxido de magnésio têm estabilidade magnética ao longo dos dias. Em um estudo publicado em Nature Communications eles provaram que esses minúsculos ímãs têm extrema robustez contra flutuações no campo magnético e na temperatura e irão girar apenas quando forem bombardeados com elétrons de alta energia de um microscópio de tunelamento de varredura.

Usando esses ímãs de átomo único ultraestáveis, mas comutáveis, a equipe demonstrou controle em escala atômica do campo magnético em arquiteturas quânticas construídas artificialmente. "A sintonia da escala atômica e a engenharia de precisão dos campos magnéticos mostrados neste trabalho adiciona um novo paradigma para dispositivos de lógica quântica e computação quântica, "diz o Dr. Aparajita Singha, que conduziu a pesquisa como um pós-doutorado na QNS e agora é um líder de grupo no Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido.

Embora o magnetismo surja no nível de átomos individuais, também chamados de spins desemparelhados, pequenos aglomerados atômicos são geralmente magneticamente muito instáveis ​​sem o controle cuidadoso de seus arredores. Compreender as propriedades magnéticas em escalas tão pequenas é um problema de física fundamental, que se tornou tecnicamente muito importante para a criação de qubits - os blocos de construção da computação quântica.

O magnetismo em escalas tão pequenas pode ser estudado e controlado usando tunelamento quântico através de sondas de eletrodos afiadas em um microscópio de tunelamento de varredura (STM). A impressão digital desses spins atômicos pode ser medida usando ressonância de spin eletrônico (ESR) de um átomo. A equipe de pesquisa da QNS combinou o uso dessas técnicas poderosas para encontrar as condições certas para alcançar o tão procurado ímã robusto de um átomo.

"Criar os menores ímãs ultraestáveis ​​estava longe de ser um pequeno esforço. Precisava operar nos limites das técnicas de medição e encontrar as condições certas. Em um substrato de MgO de camada dupla, o átomo Dy está quase isolado, mas ainda sente direcionalidade suficiente para manter uma polaridade definida ao longo dos dias, "de acordo com o Dr. Singha.

Para ser capaz de congelar átomos individuais e medir seus sinais minúsculos, a equipe criou um ambiente físico extremo, incluindo:(a) temperaturas 1000s de vezes menores que a temperatura ambiente, em que os átomos param de flutuar nas superfícies, (b) vácuo mais forte do que o espaço vazio, para que os átomos não sejam contaminados por impurezas que, de outra forma, distorceriam nossos resultados, e (c) superfícies cristalinas ultra-limpas com quase nada no topo além dos átomos individuais desejados. Quanto à ferramenta em si, eles pegaram átomos de Fe (ferro) únicos um a um na ponta do STM até atingir a razão sinal-ruído suficiente no ESR, mesmo na ausência de qualquer campo magnético externo (geralmente 30-50 átomos). Uma vez que os estados eletrônicos de ímãs de átomo Dy ultrastable (orbitais 4f) são muito blindados para medições STM, os pesquisadores mediram sua projeção de campo magnético em um sensor de átomo de Fe mais facilmente mensurável, colocados em locais definidos na mesma superfície. Usando a mesma ponta STM, eles também arranjaram ímãs de átomo Dy único em diferentes localizações de rede do substrato cristalino ao redor do átomo de Fe sensor. A inversão deliberada dos ímãs individuais do átomo Dy alterou o campo magnético na localização do átomo de Fe do sensor com precisão precisa, que foi então medido para ser estável ao longo dos dias usando ESR.

Ímãs de átomo único ultraestáveis ​​comutáveis ​​colocados em localizações atomicamente precisas fornecem uma caixa de ferramentas para controle extremamente local, mas preciso de campos magnéticos. Uma vez que o estado magnético é definido, ele é mantido automaticamente sem a necessidade de imãs externos enormes e caros. Dr. Singha concluiu que, "a sintonia em escala atômica do campo magnético é uma ferramenta de controle poderosa para futuros circuitos quânticos baseados em superfície."