梨花女子大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究所量子納米科學(xué)中心(QNS)的研究人員，進(jìn)行了世界上最小的核磁共振成像(MRI)，取得了重大的科學(xué)突破。在與美國同事的國際合作中，科學(xué)家們用新技術(shù)來可視化單個原子的磁場。核磁共振成像作為診斷成像的一部分，在醫(yī)院中例行進(jìn)行。核磁共振成像檢測的是人體中紡錘波的密度，紡錘波是電子和質(zhì)子中的基本磁，傳統(tǒng)上，核磁共振掃描需要數(shù)十億個自旋。

在2019年7月1日發(fā)表在《自然物理》上的新發(fā)現(xiàn)表明，對于表面上的單個原子來說，這一過程現(xiàn)在也是可能的。為了做到這一點(diǎn)，研究小組使用了掃描隧道顯微鏡，該顯微鏡由原子尖的金屬尖端組成，通過掃描尖端表面，研究人員可以對單個原子成像和探測。在這項(xiàng)工作中研究的兩種元素，鐵和鈦，都是磁性。通過精確地制備樣品，原子在顯微鏡下很容易看得見。然后，研究人員用顯微鏡的尖端像核磁共振成像儀一樣。

• （圖示）明亮區(qū)域標(biāo)志著原子磁場相同的位置

以前所未有的分辨率繪制出原子產(chǎn)生的三維磁場，為了做到這一點(diǎn)，研究人員把另一個自旋團(tuán)附在顯微鏡鋒利的金屬尖上。與普通磁鐵類似，這兩種自旋會相互吸引或排斥，這取決于它們的相對位置。通過將自旋團(tuán)簇掃過表面的原子，研究人員能夠繪制出磁場相互作用的圖譜。該研究的第一作者、QNS的菲利普·威爾克博士說：結(jié)果表明，測量到的磁相互作用取決于兩個自旋的性質(zhì)，一個在尖端，一個在樣本上。

例如，我們看到的鐵原子信號與鈦原子信號有很大不同。這使得科學(xué)家們能夠通過磁場特征來區(qū)分不同種類的原子，同時也展現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)非常強(qiáng)大。研究人員計(jì)劃用單原子核磁共振成像來繪制分子和磁性材料等更復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的自旋分布。許多磁現(xiàn)象發(fā)生在納米尺度上，包括最新一代的磁存儲設(shè)備。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃用顯微鏡下的核磁共振成像研究各種系統(tǒng)。

• （圖示）單個磁性原子沉積在氧化鎂表面，由掃描隧道顯微鏡的磁頭成像，這也使得研究人員可以對原子磁場進(jìn)行核磁共振掃描

在納米尺度上分析磁性結(jié)構(gòu)的能力可以幫助研究人員開發(fā)新的材料和藥物。此外，研究小組希望利用這種核磁共振成像來表征和控制量子系統(tǒng)。這些對于未來的計(jì)算方案(也稱為量子計(jì)算)非常有意義。相信大多數(shù)人對這些結(jié)果感到非常興奮，這無疑是這個領(lǐng)域的一個里程碑，對未來研究具有非常重要的意義，能夠以以前無法想象的精度繪制自旋及其磁場圖，讓我們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)有了更深入的了解，開辟了基礎(chǔ)研究的新領(lǐng)域！

博科園｜研究/來自：基礎(chǔ)科學(xué)研究所

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0573-x

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