Точное определение магнитного взаимодействия между отдельными атомами уже не мечта. Используя сканирующий туннельный микроскоп, исследователи измерили с достаточной точностью магнитное взаимодействие двух соседних атомов кобальта, адсорбированных на поверхности меди, и получили зависимость от расстояния между ними. Данное событие открывает новые возможности для исследования квантовой природы магнитных явлений, а также для изучения физических пределов объема магнитной памяти для хранения данных.
Настоящее исследование в области информационных технологий для хранения данных в наименьшей структурной единице – в отдельных атомах – стимулирует дальнейшую разработку новых массовых компактных носителей информации с огромным объемом памяти. Крайне важно понять динамику взаимодействия спинов отдельных атомов для реализации перспективной технологии таких устройств, а также для изучения физических пределов объема памяти обыкновенных магнитных носителей. Новые возможности использования данных взаимодействий могут найти непосредственное применение в улучшении методов магнитной записи, а также в создании новых спин-технологий, которые используются в разработке квантовых компьютеров. Исследователи Института Макса Планка (Max Planck Institut) из Штутгарта и из Галле в сотрудничестве с коллегами из Национального центра научных исследований в Гренобле (CNRS in Grenoble) измерили магнитное взаимодействие между отдельными адатомами кобальта на металлической поверхности и сравнили данные детального теоретического анализа с экспериментальными результатами, полученными при сканировании туннельным микроскопом. Магнитное взаимодействия между адатомами было теоретически проанализировано еще в середине прошлого века, и теория теперь может быть проверена с помощью эксперимента.
Сканирование туннельным микроскопом позволило исследователям увидеть поверхность образца с атомным разрешением. Для того чтобы определить микроскопический магнитный эффект, ученые провели эксперименты при низких температурах (-267° С или -448.6° F) в помещении со звуко- и виброизоляцией. Низкие температуры, с одной стороны, «заморозили» движение атомов, что важно, в первую очередь, для исследования отдельных атомов, а с другой стороны, увеличили спектроскопическое разрешение микроскопа. Атомные механизмы магнитного взаимодействия были изучены с помощью специально подготовленных, отделенных друг от друга адатомов кобальта.
В качестве датчика для регистрации магнитных взаимодействий исследователи пользовались эффектом Кондо (Kondo effect). Этот эффект обусловлен взаимодействием спина адатома с электронами металлической подложки. Эффект Кондо (при низких температурах) может быть выявлен из-за наличия в некоторых местах резонанса электронных плотностей, что видно при сканировании туннельным микроскопом.
Детальный анализ зависимости резонанса Кондо от расстояние между двумя соседними адатомами кобальта на медной поверхности прояснил исследователям картину магнитных взаимодействий. Полученные результаты в первый раз позволили сопоставить теоретические расчеты по магнитному взаимодействию между отдельными атомами на металлической поверхности с экспериментальными данными.
Исследователи также изучили магнитное взаимодействие между тремя адатомами кобальта, спины которых коррелируют между собой.
Результаты исследований ученых из Института Макса Планка являются первыми шагами на пути к разработке новой технологии конструкционных материалов и наноструктур, использующей квантовый характер магнетизма. В то же время результаты углубили наше понимание магнитного взаимодействия между отдельными атомами на фундаментальном уровне.
P. Wahl, P. Simon, L. Diekhöner, V.S. Stepanyuk, P. Bruno, M.A. Schneider, and K. Kern
