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Das kleinste MRT-Gerät der Welt erfasst das Magnetfeld eines einzelnen Atoms

Das kleinste MRT-Gerät der Welt erfasst das Magnetfeld eines einzelnen Atoms

In einer Weltneuheit haben Wissenschaftler ein Bild des Magnetfelds eines Atoms aufgenommen und damit Forschern und kommerziellen Anwendungen von Quantenphänomenen wie dem Quantencomputer neue Möglichkeiten für die Interaktion mit Materie auf Quantenebene eröffnet.

Das kleinste MRT-Gerät der Welt bildet zum ersten Mal das Magnetfeld eines Atoms ab

Forscher des Zentrums für Quantennanowissenschaften (QNS) am Institut für Grundlagenwissenschaften der Ewha Womans University in Seoul, Südkorea, haben mit dem kleinsten Magnetresonanztomographen der Welt die Magnetfelder einzelner Atome erfasst zum ersten Mal.

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Veröffentlicht diesen Monat in der Zeitschrift NaturphysikDie Arbeit des QNS-Teams öffnet die Tür zu einer völlig neuen Art der Interaktion mit Materie auf Quantenebene, die alles von der Grundlagenforschung bis zu kommerziellen und industriellen Anwendungen von Quantenphänomenen wie Lasern, Quantencomputern und medizinischer Diagnostik umfasst. "Ich freue mich sehr über diese Ergebnisse", sagte Professor Andreas Heinrich, Direktor von QNS. "Es ist sicherlich ein Meilenstein in unserem Bereich und hat vielversprechende Auswirkungen auf die zukünftige Forschung."

MRT-Geräte messen die relativen Dichten von "Spins", der Quelle der Magnetkraft zwischen Elektronen und Protonen. Normalerweise benötigen MRT-Geräte viele Milliarden dieser Drehungen, um ein Bild zu erstellen. Der Prozess auf Makroebene ist jedoch der gleiche wie für ein einzelnes Atom. Daher muss für die Aufzeichnung des Magnetfelds eines einzelnen Atoms eine Methode zur Erfassung eines einzelnen Magnetfelds erstellt werden unter Milliarden von anderen.

Zu diesem Zweck verwendeten die QNS-Wissenschaftler ein Rastertunnelmikroskop (STM), dessen Spitze so scharf wie ein einzelnes Atom ist und das es Wissenschaftlern ermöglicht, mit einzelnen Atomen zu interagieren, wenn sie entlang einer Oberfläche scannen. Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf zwei Atome, Eisen und Titan, die beide magnetisch aktiv sind. Dank ihrer präzisen Platzierung auf einer Oberfläche aus Magnesiumoxid waren die Atome selbst für Forscher, die das STM wie gewohnt verwendeten, bereits sichtbar.

Um die Magnetfelder der Atome zu erfassen, befestigten die Wissenschaftler einen weiteren magnetisch aktiven „Spincluster“ an der Metallspitze des STM, den sie dann wie zuvor über die Atome liefen. Jetzt konnten die Forscher jedoch den Zug oder die Abstoßung des Magnetfelds des Atoms genau so aufzeichnen, wie sich üblicherweise verwendete Magnete mit entgegengesetzter oder ähnlicher Ladung verhalten, wie dies durch den Spincluster an der Spitze des STM festgestellt wird.

Auf diese Weise erhielten die Forscher eine unglaublich detaillierte 3D-Ansicht des Magnetfelds, das von dem einzelnen Atom erzeugt wurde, über das sie gingen. Darüber hinaus wechselwirketen die Eisenatome und die Titanatome auf charakteristisch unterschiedliche Weise und in unterschiedlichem Maße mit dem Spincluster an der Spitze, wodurch es möglich wurde, den Typ des Atoms zu bestimmen, der aus seiner Wechselwirkung mit dem Spincluster an der Spitze von übertragen wird das STM.

"Es stellt sich heraus, dass die von uns gemessene magnetische Wechselwirkung von den Eigenschaften beider Spins abhängt, dem an der Spitze und dem an der Probe", sagte der Hauptautor Dr. Philip Willke. "Zum Beispiel unterscheidet sich das Signal, das wir für Eisenatome sehen, stark von dem für Titanatome. Dies ermöglicht es uns, verschiedene Arten von Atomen anhand ihrer Magnetfeldsignatur zu unterscheiden, und macht unsere Technik sehr leistungsfähig."

Die Forscher hoffen, dass ihre Technik es ermöglicht, noch komplexere Strukturen im Nanobereich zu untersuchen, beispielsweise die Spinverteilungen von Atomen in chemischen Verbindungen, oder eine präzise Steuerung von magnetischem Material zu ermöglichen, wie es von modernen Magnetspeichern verwendet wird. "Viele magnetische Phänomene treten im Nanobereich auf, einschließlich der jüngsten Generation magnetischer Speichergeräte", sagte der Co-Autor der Studie, Dr. Yujeong Bae. "Wir planen nun, eine Vielzahl von Systemen mithilfe unserer mikroskopischen MRT zu untersuchen."

Die Forscher hoffen, dass ihre Technik sogar dazu beitragen kann, Quanten-Kommunikations- oder Computersysteme zu steuern und weiterzuentwickeln. Dies war ein großes Problem für Quantencomputersysteme, für die es noch keine echte und zufriedenstellende Lösung gibt.

Ob diese Lösung in der neuen MRT-Technik des QNS-Teams liegt, bleibt abzuwarten, eröffnet aber sicherlich einen neuen Forschungsweg, der es wert ist, erkundet zu werden. "Die Fähigkeit, Spins und ihr Magnetfeld mit bisher unvorstellbarer Präzision abzubilden, ermöglicht es uns, tieferes Wissen über die Struktur der Materie zu gewinnen und neue Bereiche der Grundlagenforschung zu eröffnen", sagte Heinrich.


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