IBM Alamaden研究院的研究员找到了测量单原子磁场的新方法，这是科学家首次将在被测量原子旁放置传感器，以此获得强烈而清晰的磁场信号。据悉，新技术的能量分辨率比其他显微技术高1000多倍。
2015年，IBM首次研发了单原子“探测器”——电子自旋共振（ESR）探测器。新方法正是采用这种“探测器”来测量“目标”原子的电磁场的。同时，ESR探测器还被应用于扫描隧道电子显微镜（STM）。STM通过移动的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，并由此确定出物质表面的单一原子的排列状态。
研究人员将ESR和STM技术的最新研究进展发表在《自然纳米技术》上，这标志着原子磁场的测量迈入高精度时代。
“我们在论文中展示了如何进行‘纳米GPS’成像，如何通过几个固定原子探测器的自旋共振信号来对原子定位，”IBM研究院的克里斯托弗·卢茨（Christopher Lutz）说道。“我们希望用该技术对物体表面进行纳米成像，并且探测分子的磁场中心位置。”
在ESR技术之前，测量原子磁场比较普遍的方法是金刚石氮-空位（NV）中心缺陷法。
但据Lutz介绍，该方法产生的NV中心的随机的，而且不能在金刚石晶体内移动。他还进一步指出，由于很难制备得到靠近金刚石晶体表明的NV中心，该方法的探测精度仅为10纳米。
除了ESR，IBM早期的一些研究也能探测到单原子的弱磁力。但是，“早期研究的探测信号很弱，”Lutz说，“新的STM技术的信号要强得多，而且很稳定。我们可以直接探测原子磁场，从而可以很清晰地测得原子磁矩等电磁特性。”
传统STM主要测量原子的表面排列及隧道谱，并最终能得到原子的电子结构。新的STM技术又辅以原子的磁场特性，其分辨率达到传统显微技术的1000倍，这也使得弱相互作用的探测成为可能。
“新方法可以探测原子磁耦合等弱相互作用，”Lutz说。“这种探测方法是非侵入性的，探测原子在几纳米外，不会影响到靶原子。”
未成对电子放入电磁场后会以一定频率“进动”，频率大小取决于磁场强度和原子磁矩。对ESR探测器进行操作时要充分考虑电子的行为。
“实验过程中，我们给显微镜外加一个磁场，给隧道结外加高频电压，”Lutz解释道。“当电磁波与电子自旋进动频率相匹配时，电子脱离磁场的自旋平衡，发生能级跃迁。”
“探测器”原子（铁原子）探测到电子行为的变化，并将信号传递给显微镜探针。电子自旋频率会影响到原子共振频率，进而使引起隧道电流的急剧变化。共振频率会随附近原子的不同而变化。
“其物理原理与核磁共振成像相仿，只不过我们探测的是电子而非原子核，我们探测的是单原子而非原子群。”Lutz补充说。
但该方法有很高的技术壁垒。首先，为了使原子自旋共振，需要有高频导线将千兆赫频率的信号传递到STM探针。同时，为了保证STM处于超高真空环境，需要将其放入液氮之中。另外，STM的外加磁场也必须恰到好处。
“目前，我们是唯一能利用STM操纵ESR原子探测器的团队，”Lutz说，“为了普及这项技术，我们需要进一步研究，降低它的应用标准。”
Lutz希望在团队安装好千兆赫高频后，有更多研究人员可以用它探测原子磁场。
“我们希望在更广泛的原子类型和表面材料上实现自旋共振，并且降低试验的严苛标准，这样就有更多实验室能用它做研究。”
编辑：孙小彪
参考：http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/novel-microscopy-offers-a-kind-of-nanogps-for-locating-atoms
《麻省理工科技评论》中美合作“城郭会员计划”正式发布，让您始终处于新兴技术商业趋势的最前沿。详情请点击下方图片查看↓↓↓
招聘
编辑、视觉设计、视频策划及后期
地点：北京
联系：[email protected]
MIT Technology Review 中国唯一版权合作方，任何机构及个人未经许可，不得擅自转载及翻译。
分享至朋友圈才是义举
