11 июня N+1

Физики "настроили" магнитное поле отдельного атома

Ученые впервые напрямую измерили обменное взаимодействие между двумя атомами

Физики впервые напрямую измерили энергию обменного взаимодействия между двумя атомами, один из которых был прикреплен к концу иглы сканирующего туннельного микроскопа. Другими словами, с помощью одного из атомов ученые «настраивали» магнитное поле в окрестности второго атома и «намагничивали» его. При этом напряженность поля изменялось почти в тысячу раз — от одного миллитесла до десяти тесла. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Согласно известному закону Мура, число транзисторов на интегральной схеме (а вместе с тем и ее производительность) удваивается каждые два года. В то же время закон масштабирования Деннарда утверждает, что наиболее выгодный способ удвоить производительность схемы — уменьшить размер транзисторов. Это позволяет понизить напряжение, подаваемое на затвор транзистора, и увеличить скорость его переключения. Разумеется, строгих обоснований у этих законов нет, и на практике они работают только приблизительно, а в середине прошлого десятилетия производство процессоров постепенно стало отставать от этих закономерностей.

Тем не менее, техпроцесс изготовления процессоров продолжает неуклонно приближаться к размерам отдельных атомов и молекул. Однако на таких масштабах обычные электронные устройства могут проиграть спинтронным устройствам, которые физики разрабатывают с середины 1990-х годов. В отличие от электроники, в которой ключевую роль играет заряд электронов (сигналы передаются импульсами электрического тока), спинтроника работает со спином частиц. Одно из первых спинтронных устройств, которое уже прочно вошло в нашу жизнь — это жесткий диск (HDD). Впрочем, в рамках спинтроники можно построить и другие аналоги привычных электронных приборов — например, спиновый диод. Более подробно про спинтронику и ее практическое применение можно прочитать в статьях «Магнетизм электричества» и «Жесткие диски и спинтроника».

Впрочем, спинтронные устройства тоже пока еще не добрались до масштабов отдельных атомов. Решающее значение при переходе к этому «последнему рубежу» играет стабильность оси квантования, вдоль которой выстраивается спин атома. Как правило, чтобы задать эту ось, ученые полагаются на магнитокристаллическую анизотропию. К сожалению, этот метод чувствителен к возмущениям вдоль кристаллической оси кристалла, поэтому его стабильность невысока. К счастью, есть и другой способ управлять намагниченностью атомов, основанный на их обменном взаимодействии. Грубо говоря, это взаимодействие напоминает взаимодействие двух магнитиков для холодильника, которые примагничиваются друг к другу только при определенной ориентации (это связано со сложным расположением северных и южных полюсов магнитов). Правда, в отличие от магнитиков, обменное взаимодействие основано на перекрывании волновых функций двух взаимодействующих атомов. Из-за этого взаимодействие оказывается сильно локализовано в пространстве: волновая функция электрона в атоме водорода экспоненциально падает при отдалении от ядра. Теоретически это позволяет очень точно настраивать параметры отдельных атомов.

Группа физиков под руководством Кая Янга (Kai Yang) реализовала этот способ на практике и впервые измерила обменное взаимодействие между двумя атомами. В качестве «настраиваемого» атома ученые использовали атом титана с полуцелым спином. Если поместить такой атом во внешнее магнитное поле, благодаря эффекту Зеемана его основное состояние расщепится на два состояния, отвечающих ориентации спина вдоль и против магнитного поля. В таких состояниях атом сам создает магнитное поле. Чтобы увеличить время жизни таких состояний и сделать картину происходящих процессов более четкой, ученые посадили атом на тонкий слой изолятора (оксида магния), отделяющий его от металлической поверхности (серебро(100)). По этой же причине физики охладили систему до 0,6 кельвин. Наконец, в качестве «записывающего» атома исследователи взяли атом железа, прикрепленный к игле сканирующего туннельного микроскопа. Благодаря быстрым колебаниям спина этого атома его магнитное поле можно рассматривать как классическое. Кроме того, регулируя расстояние между кончиком иглы и поверхность, можно управлять силой обменного взаимодействия между двумя атомами, а следовательно, и напряженностью поля «настраиваемого» атома.

Чтобы оценить энергию обменного взаимодействия, ученые использовали неупругую спектроскопию туннелирующих электронов (inelastic electron tunneling spectroscopy, IETS) и электронный спиновый резонанс. Первый метод основан на том, что электроны, туннелирующие сквозь слой изолятора, могут возбудить атом титана и перевести его в состояние с противоположной ориентацией спина. С одной стороны, из-за этого проводимость образца, на который помещен атом, должна измериться. С другой стороны, изменение тем сильнее, чем сильнее намагничен атом, то есть чем больше энергия обменного взаимодействия. Следовательно, по спектру IETS можно восстановить эту энергию, правда, только в том случае, если она превышает некоторое критическое значение. При меньших энергиях нужно использовать второй метод, который основан на резонансном поглощении электромагнитного излучения электронами атома титана. Теоретически разрешающая способность первого метода находится на уровне нескольких миллиэлектронвольт, второго метода — на уровне сотен наноэлектронвольт.

Как и ожидалось, энергия обменного взаимодействия экспоненциально спадала при увеличении расстояния между атомами. При этом в ходе эксперимента энергия изменялась почти в десять тысяч раз — начиная с десятых долей наноэлектронвольт при расстоянии около 4,5 ангстрем и заканчивая примерно одним миллиэлектронвольтом при расстоянии около одного ангстрема. Если пересчитать энергию в напряженность магнитного поля, это будет отвечать перепадам от одного миллитесла до десяти тесла (напряженность магнитного поля Земли порядка 10 микротесла).

По словам авторов статьи, изменение энергии обменного взаимодействия двух атомов до этого явно не измерялось, поэтому точность таких измерений была значительно ниже, чем в новой статье. В перспективе же их работа пригодиться не только при разработке спинтронных устройств, но и при точных измерениях. В частности, ученые считают, что с помощью похожей установки можно «просканировать» структуру орбиталей поляризованного атома.

Вообще говоря, физики уже давно учатся измерять и управлять магнитным полем отдельных атомов или молекул. Например, в ноябре 2015 года физики из Японии и Тайваня проследили за спиновым состоянием «одноатомных магнитов» — отдельных атомов железа или хрома, встроенных в графеновую решетку. В октябре 2018 химики из Британии и Китая впервые изготовили молекулярный магнит — соединение, которое может сохранять намагниченность отдельного атома. Синтезированное соединение было основано на диспрозии и работало при температуре жидкого азота. А в прошлом месяце физики из США и Китая построили первый магнитометр размером с одну молекулу. Проще говоря, исследователи изучили магнитные взаимодействия молекулы никелоцена, которая находилась на поверхности серебра Ag(100), с такой же молекулой на конце иглы сканирующего туннельного микроскопа. По сути, схема этого опыта совпадает со схемой эксперимента Янга.