Weltweit kleinstes MRT an einzelnen Atomen
Die Magnetresonanztomographie ermöglicht es, das Magnetfeld einzelner Atome mit beispielloser Auflösung abzutasten
Forscher am Center for Quantum Nanoscience (QNS) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) an der Ewha Womans University haben mit der weltweit kleinsten Magnetresonanztomographie (MRT) einen großen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt. In einer internationalen Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA haben QNS-Wissenschaftler mit ihrer neuen Technik das Magnetfeld einzelner Atome visualisiert.
Einzelne magnetische Atome werden auf einer Oberfläche aus Magnesiumoxid abgeschieden. Sie werden von der Magnetspitze eines Rastertunnelmikroskops abgebildet, das es den Forschern auch ermöglicht, eine MRT-Aufnahme des Magnetfeldes des Atoms durchzuführen.
Philip Willke et al.
Eine MRT wird heutzutage routinemäßig in Krankenhäusern als Teil der Bildgebung für die Diagnostik durchgeführt. MRTs erfassen die Dichte von Spins - den grundlegenden Magneten in Elektronen und Protonen - im menschlichen Körper. Traditionell werden für einen MRT-Scan Milliarden und Abermilliarden von Spins benötigt. Die neuen Erkenntnisse, die in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurden, zeigen, dass dieser Prozess nun auch für ein einzelnes Atom auf einer Oberfläche möglich ist. Dazu benutzte das Team ein Rastertunnelmikroskop, das aus einer atomar scharfen Metallspitze besteht, mit der Forscher einzelne Atome abbilden und sondieren können, indem sie die Spitze über die Oberfläche scannen.
Die beiden Elemente, die in dieser Arbeit untersucht wurden, Eisen und Titan, sind beide magnetisch. Durch die präzise Vorbereitung der Probe waren die Atome im Mikroskop gut sichtbar. Anschließend nutzten die Forscher die Spitze des Mikroskops wie eine MRT-Maschine, um das dreidimensionale Magnetfeld der Atome mit einer beispiellosen Auflösung abzubilden. Dazu befestigten sie ein weiteres Spin-Cluster an der scharfen Metallspitze ihres Mikroskops. Ähnlich wie bei Alltagsmagneten würden sich die beiden Spins je nach ihrer relativen Position gegenseitig anziehen oder abstoßen. Indem sie den Spitzenspincluster über das Atom an der Oberfläche streichen, konnten die Forscher die magnetische Wechselwirkung abbilden. Hauptautor Dr. Philip Willke von QNS sagt: "Es stellt sich heraus, dass die von uns gemessene magnetische Wechselwirkung von den Eigenschaften beider Spins abhängt, derjenigen an der Spitze und derjenigen an der Probe. Zum Beispiel ist das Signal, das wir für Eisenatome sehen, sehr unterschiedlich zu dem für Titanatome. Dies ermöglicht es uns, verschiedene Arten von Atomen durch ihre Magnetfeldsignatur zu unterscheiden und macht unsere Technik sehr leistungsfähig."
Mit der Einzelatom-MRT wollen die Forscher die Spinverteilung in komplexeren Strukturen wie Molekülen und magnetischen Materialien abbilden. "Viele magnetische Phänomene finden auf der Nanoskala statt, einschließlich der jüngsten Generation von magnetischen Speichergeräten", sagt Dr. Yujeong Bae auch über QNS, einen Co-Autor dieser Studie. "Wir planen jetzt, eine Vielzahl von Systemen mit unserer mikroskopischen MRT zu untersuchen." Die Fähigkeit, die magnetische Struktur im Nanobereich zu analysieren, kann bei der Entwicklung neuer Materialien und Medikamente helfen. Darüber hinaus will das Forschungsteam diese Art der MRT nutzen, um Quantensysteme zu charakterisieren und zu kontrollieren. Diese sind von großem Interesse für zukünftige Berechnungsverfahren, auch bekannt als Quantum Computing.
"Ich bin sehr gespannt auf diese Ergebnisse. Es ist sicherlich ein Meilenstein in unserem Bereich und hat vielversprechende Auswirkungen auf die zukünftige Forschung", sagt Prof. Andreas Heinrich, Direktor von QNS. "Die Fähigkeit, Spins und ihr Magnetfeld mit bisher ungeahnter Präzision zu kartieren, ermöglicht es uns, tieferes Wissen über die Struktur der Materie zu gewinnen und eröffnet neue Felder der Grundlagenforschung."
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