世界上最小的磁共振成像机捕捉单个原子的磁场图像

2021-10-02 10:44:25
导读大家好,我是本栏目的编辑郝帅,现在我来给大家讲解一下上面的问题。首先,科学家捕捉到了原子磁场的图像,为量子计算等量子现象的商业应用

大家好,我是本栏目的编辑郝帅,现在我来给大家讲解一下上面的问题。首先,科学家捕捉到了原子磁场的图像,为量子计算等量子现象的商业应用打开了物质与物质在量子水平上相互作用的新途径的大门。

世界上最小的核磁共振成像机首次对原子的磁场进行成像。

韩国首尔梨花女子大学基础科学研究所量子纳米科学中心(QNS)的研究人员首次使用世界上最小的磁共振成像机捕捉单个原子的磁场。

QNS团队的工作发表在本月的《自然物理学杂志》上,为在量子水平上与物质互动的新方式打开了大门,涵盖了从基础研究到量子现象的商业和工业应用,如激光、量子计算和医学诊断。“我对这些结果感到非常兴奋,”QNS主任安德烈亚斯海因里希教授说。“这无疑是我们这个领域的一个里程碑,对未来的研究具有非常有希望的意义。”

磁共振成像机器通过测量“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,核磁共振成像机需要数十亿次这样的旋转来制作图像,但宏观层面的过程与单个原子的过程相同,因此记录单个原子的磁场需要创建一种方法来检测其他数十亿人中的单个磁场。

为此,QNS科学家使用扫描隧道显微镜(STM),其尖端像单个原子一样锋利,允许科学家在沿表面扫描时与单个原子相互作用。研究人员选择将重点放在两个原子上,尤其是铁和钛,这两个原子都具有磁活性,并且因为它们被精确地放置在氧化镁的表面,所以这些原子本身已经被通常使用STM的研究人员看到了。

为了探测原子的磁场,科学家们将另一个磁性活跃的“自旋簇”连接到扫描隧道显微镜的金属尖端,然后它们像以前一样穿过原子。然而,现在研究人员可以记录原子磁场的拉力或排斥力,就像通常使用的带电磁体的相反或相似行为一样,就像探测到STM尖端的自旋簇一样。

这给了研究人员一个难以置信的详细三维视图,他们通过的单个原子会产生磁场。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针尖上的自旋团簇相互作用,这使得确定从与针尖上的自旋团簇的相互作用转移的原子类型成为可能。STM .

“事实证明,我们测量的磁相互作用取决于两个旋转的特征,尖端和样本,”第一作者菲利普威尔克博士说。“例如,铁原子的信号与钛原子的信号非常不同。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在纳米尺度上探索更复杂的结构,例如化合物中原子的自旋分布,或者允许精确控制磁性材料,例如现代磁存储设备中使用的材料。这项研究的合著者裴宇正博士说:“许多磁现象都发生在纳米尺度上,包括最新一代的磁存储设备。现在我们计划用显微镜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用于通信或计算的量子系统,这是量子计算系统仍然没有真正令人满意的解决方案的一个主要问题。

这一解决方案是否属于QNS团队的新型磁共振成像技术还有待观察,但它确实开辟了一条值得探索的新研究道路。海因里希说:“以前所未有的精度绘制自转及其磁场的能力,使我们能够深入了解物质结构,开辟新的基础研究领域。

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