Os cientistas capturaram uma imagem do campo magnético de um átomo, abrindo a porta para novas formas de interagir com a matéria em um nível quântico para pesquisadores e aplicações comerciais de fenômenos quânticos, como a computação quântica.
Pesquisadores do Centro de Nanociência Quântica (QNS) do Institute for Basic Science, parte da Ewha Womans University em Seul, Coréia do Sul, usaram a menor máquina de ressonância magnética (RM) do mundo para capturar os campos magnéticos de átomos individuais pela primeira vez.
Publicado este mês na revista Nature Physics, o trabalho da equipe QNS abre a porta para uma maneira totalmente nova de interagir com a matéria em nível quântico, implicando desde a pesquisa básica até as aplicações comerciais e industriais do fenômeno quântico, como lasers, computação quântica e diagnósticos médicos. “Estou muito animado com esses resultados”, disse o professor Andreas Heinrich, diretor do QNS. “É certamente um marco em nosso campo e tem implicações muito promissoras para pesquisas futuras.”
As máquinas de ressonância magnética funcionam medindo as densidades relativas de “spins”, a fonte da força magnética entre elétrons e prótons. Normalmente, as máquinas de ressonância magnética precisam de muitos bilhões para criar uma imagem, mas o processo no nível macro é o mesmo de um único átomo, portanto, registrar o campo magnético de um único átomo requer a criação de um único campo magnético entre bilhões de outros.
Para fazer isso, os cientistas do QNS usaram um microscópio de tunelamento (STM), cuja ponta é tão nítida quanto um único átomo e permite que os cientistas interajam com átomos individuais enquanto eles escaneiam uma superfície. Os pesquisadores escolheram se concentrar em dois átomos em particular, ferro e titânio, que são ativos magneticamente e, graças à sua precisão de posicionamento em uma superfície de óxido de magnésio, os próprios átomos já eram visíveis para os pesquisadores que usavam o STM normalmente.
Para detectar os campos magnéticos dos átomos, os cientistas anexaram outro “grupo de spin” magneticamente ativo à ponta de metal do STM, que eles passaram então sobre os átomos como antes. Agora, no entanto, os pesquisadores puderam registrar a força ou repulsão do campo magnético do átomo, exatamente como os ímãs comumente usados de cargas opostas ou similares se comportam, como detectado pelo cluster de spin na ponta do STM.
Isso deu aos pesquisadores uma visão 3D incrivelmente detalhada do campo magnético gerado pelo único átomo que eles estavam passando. Além disso, os átomos de ferro e os átomos de titânio interagiram com o aglomerado de spin na ponta de maneiras diferentes e em diferentes graus, tornando possível determinar o tipo de átomo sendo passado de sua interação com o cluster de spin na ponta de o STM.
“Acontece que a interação magnética que medimos depende das propriedades de ambas as rotações, a da ponta e a da amostra”, disse o autor Philip Willke. “Por exemplo, o sinal que vemos para os átomos de ferro é muito diferente do sinal dos átomos de titânio. Isso nos permite distinguir diferentes tipos de átomos por sua assinatura de campo magnético e torna nossa técnica muito poderosa.”
Os pesquisadores esperam que sua técnica torne possível explorar estruturas ainda mais complexas em nanoescala, como as distribuições de spin de átomos dentro de compostos químicos ou permitir o controle preciso de material magnético como aqueles usados por dispositivos modernos de armazenamento magnético. “Muitos fenômenos magnéticos ocorrem em escala nanométrica, incluindo a recente geração de dispositivos magnéticos de armazenamento”, disse o co-autor Dr. Yujeong Bae. “Agora planejamos estudar uma variedade de sistemas usando nossa ressonância magnética microscópica”.
Os pesquisadores ainda esperam que sua técnica possa ajudar a controlar e promover o desenvolvimento de sistemas quânticos de comunicação ou computação, algo que tem sido um grande problema para os sistemas de computação quântica que ainda não tem uma solução real e satisfatória.
Se essa solução está na nova técnica de ressonância magnética da equipe do QNS, ainda está por se ver, mas certamente abre um novo caminho de pesquisa que vale a pena explorar. “A capacidade de mapear spins e seu campo magnético com precisão inimaginável anteriormente nos permite obter um conhecimento mais profundo sobre a estrutura da matéria e abre novos campos de pesquisa básica”, disse Heinrich.
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