La plus petite machine d’IRM au monde capture l’image du champ magnétique d’un seul atome


Dans une première mondiale, les scientifiques ont annoncé ce mois-ci qu’ils étaient en mesure de capturer une image du champ magnétique d’un atome pour la première fois.

En première mondiale, les scientifiques ont capté une image du champ magnétique d’un atome, ouvrant la porte à de nouvelles façons d’interagir avec la matière au niveau quantique pour les chercheurs et les applications commerciales du phénomène quantique, comme l’informatique quantique.

Le plus petit appareil d’IRM au monde produit pour la première fois des images du champ magnétique d’un atome

Des chercheurs du Center for Quantum Nanoscience (QNS) de l’Institute for Basic Science de l’Université Ewha Womans de Séoul, en Corée du Sud, ont utilisé pour la première fois la plus petite machine d’imagerie par résonance magnétique (IRM) au monde pour capturer les champs magnétiques des atomes individuels.

Publié ce mois-ci dans la revue Nature Physics, les travaux de l’équipe du QNS ouvrent la porte à une toute nouvelle façon d’interagir avec la matière au niveau quantique, impliquant tout, de la recherche fondamentale aux applications commerciales et industrielles des phénomènes quantiques, comme les lasers, l’informatique quantique et le diagnostic médical. “Je suis très enthousiasmé par ces résultats”, a déclaré le professeur Andreas Heinrich, directeur du QNS. “C’est certainement une étape importante dans notre domaine et elle a des implications très prometteuses pour la recherche future.”

Les appareils d’IRM fonctionnent en mesurant les densités relatives des spins, la source de la force magnétique entre électrons et protons. Normalement, les machines d’IRM ont besoin de plusieurs milliards de ces spins pour faire une image, mais le processus au niveau macro est le même que pour un seul atome, donc l’enregistrement du champ magnétique d’un seul atome nécessite de créer un moyen de détecter un seul champ magnétique parmi des milliards d’autres.

Pour ce faire, les scientifiques du QNS ont utilisé un microscope à effet tunnel (scanning tunneling microscope, STM), dont la pointe est aussi pointue qu’un seul atome et qui permet aux scientifiques d’interagir avec des atomes individuels lorsqu’ils balayent une surface. Les chercheurs ont choisi de se concentrer sur deux atomes en particulier, le fer et le titane, qui sont à la fois magnétiquement actifs et grâce à leur positionnement précis sur une surface d’oxyde de magnésium, les atomes eux-mêmes étaient déjà visibles pour les chercheurs utilisant le STM normalement.

Pour détecter les champs magnétiques des atomes, les scientifiques ont fixé un autre “amas de spin” magnétiquement actif à la pointe métallique du STM, qu’ils ont ensuite passé sur les atomes comme auparavant. Maintenant, cependant, les chercheurs pourraient enregistrer l’attraction ou la répulsion du champ magnétique de l’atome, exactement de la même façon que les aimants de charge opposée ou similaire couramment utilisés se comportent, tel que détecté par l’amas de spin à l’extrémité du STM.

Ce faisant, les chercheurs ont obtenu une vue 3D incroyablement détaillée du champ magnétique généré par l’atome unique qu’ils traversaient. De plus, les atomes de fer et de titane ont interagi avec l’amas de spin sur la pointe de l’aiguille de différentes façons et à différents degrés, ce qui permet de déterminer le type d’atome qui est passé de son interaction avec l’amas de spin sur la pointe du STM.

“Il s’avère que l’interaction magnétique que nous avons mesurée dépend des propriétés des deux spins, celui sur la pointe et celui sur l’échantillon”, a déclaré l’auteur principal Dr Philip Willke. “Par exemple, le signal que nous voyons pour les atomes de fer est très différent de celui des atomes de titane. Cela nous permet de distinguer différents types d’atomes par leur signature de champ magnétique et rend notre technique très puissante.”

Les chercheurs espèrent que leur technique permettra d’explorer des structures encore plus complexes à l’échelle nanométrique, telles que la distribution de spin des atomes dans les composés chimiques, ou de contrôler avec précision les matériaux magnétiques tels que ceux utilisés par les dispositifs modernes de stockage magnétique. “De nombreux phénomènes magnétiques se produisent à l’échelle nanométrique, y compris la récente génération de dispositifs de stockage magnétique”, a déclaré Yujeong Bae, coauteur de l’étude. “Nous prévoyons maintenant d’étudier une variété de systèmes en utilisant notre IRM microscopique.”

Les chercheurs espèrent que leur technique pourrait même aider à contrôler et à faire progresser le développement des systèmes quantiques de communication ou de calcul, ce qui a été un problème majeur pour les systèmes d’informatique quantique qui n’a toujours pas de solution réelle et satisfaisante.

Reste à savoir si cette solution réside dans la nouvelle technique d’IRM de l’équipe QNS, mais elle ouvre certainement une nouvelle voie de recherche intéressante à explorer. “La capacité de cartographier les spins et leur champ magnétique avec une précision jusqu’alors inimaginable nous permet d’approfondir nos connaissances sur la structure de la matière et ouvre de nouveaux champs de recherche fondamentale”, a déclaré Andreas Heinrich.

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Source : Interesting Engineering – traduit par Anguille sous roche


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