Ученым удалось создать систему из одного атома железа на подложке, в которой можно управлять орбитальным моментом атома и возбуждением его спиновых состояний независимо друг от друга. Для управления системой исследователи использовали иголку сканирующего туннельного микроскопа, при взаимодействии которой с атомом происходил переворот его орбитального момента без возбуждения спиновых состояний. В таких условиях у атома оказалось две степени свободы, связанных с магнитным полем, что в будущем может быть использовано для создания особо емких систем хранения информации с плотностью записи два бита на один атом. Статья опубликована в журнале npj Quantum Materials.

Уменьшение размера одного бита до масштабов атома позволило бы умещать огромные массивы данных в крайне небольших носителях. Потенциально такие системы можно создать с использованием управляемых магнитным полем спинов отдельных атомов S — векторных сумм собственных моментов импульса элементарных частиц, входящих в их состав. В качестве бита в таких системах выбирают именно спиновые состояния, потому что орбитальный момент каждого атома L (его момент импульса как целого) в реальных образцах подавляется из-за совокупности спин-орбитального взаимодействия и кристаллического поля.

Но даже в случае, когда L атома в такой системе не равен нулю, спин-орбитальное взаимодействие приводит к связи L и S в суперпозицию, в которой сохраняется лишь полный момент импульса системы L + S, а независимые возбуждения L и S невозможны. Для хранения информации в орбитальном состоянии атома, в свою очередь, нужно уметь сохранять L и иметь возможность управлять им, не влияя на спиновые состояния. Тогда спиновое и орбитальное состояния могут играть роль нулей и единиц, а сам атом мог бы выступать в качестве носителя информации в размере двух бит, каждый из которых соответствует одной степени свободы системы (по одному биту на спин и орбитальный момент).

Именно такую систему из одного атома, в котором можно независимо друг от друга возбуждать спиновые и орбитальные состояния, удалось создать Расу Реджали (Rasa Rejali) из Делфтского технического университета. Для этого физик с коллегами поместили одиночный атом железа над магнитно-нейтральным атомом азота в составе подложки из Cu2N, тем самым получив систему с практически свободными орбитальным моментом и спином. Изучать атом и манипулировать им физикам позволяла игла сканирующего электронного микроскопа.

Томография атомов железа на подложке. Более низкие пики соответствуют железу, расположенному над атомами меди, более высокие — над атомами азота. Rasa Rejali et al. / npj Quantum Materials, 2020

Орбитальное состояние одиночного атома железа также изменялось с помощью сканирующего туннельного микроскопа в процессе, похожим на эффект Эйнштейна — де Хааза: орбитальный момент переворачивался при неупругом туннелировании электрона между атомом и иглой устройства. Необходимое для наблюдения эффекта положение атомов в пространстве ученые вычислили с помощью теории функциональной плотности. Анализируя спектр дифференциальной проводимости системы во внешнем магнитном поле, физики показали, что в атоме независимо друг от друга происходили изменение орбитального момента атома ΔLz = 4 и ΔSz = 1.

(a) – cмоделированное расщепление энергетических уровней атома в магнитном поле, (b) – наблюдаемый спектр дифференциальной проводимости системы и соответствующие переходы спина и орбитального момента, (c, d) – схематичное изображение наблюдаемых переходов.

Авторы отмечают, что предложенный ими способ независимого изменения орбитальных и спиновых состояний одиночного атома еще далек от практической реализации. Тем не менее схожесть природы спиновых и орбитальных состояний дает надежду на то, что в будущем орбитальным моментом атомов можно будет управлять так же просто, как сейчас — спинами. В этом случае вполне реальными могут стать носители информации, в которых каждый атом будет выступать в роли не одного, а двух битов, что еще сильнее увеличит потенциально максимальную плотность записи данных.

Источник: rusjev.net