IBM ‘fotografeert’ elektron

Onderzoekers van IBM zijn erin geslaagd een individueel elektron waar te nemen met behulp van magnetische resonantie. Deze doorbraak op het gebied van nanotechnologie kan waarneming en werken op atomaire schaal mogelijk maken.

Onderzoekers Raffi Budakian, John Mamin en Daniel Rugar (vlnr) maken deel uit van het vierkoppige team, inclusief Benjamin Chui, dat erin geslaagd is een individueel elektron waar te nemen.

De onderzoekers leggen het beeld van een enkele elektron vast door de extreem lichte magnetische signalen ervan waar te nemen. Dit doen zij middels een zeer gevoelig vorm van magnetische microscopie: magnetic resonance force microscopy (mrfm). Mrfm is tot tien miljoen keer gevoeliger – en daarmee nauwkeuriger -dan het reguliere mri (magnetic resonance imaging), dat veel wordt gebruikt voor medische doeleinden. Mri kan groepen van minstens een biljoen elektronen waarnemen, terwijl mrfm een enkel elektron kan ‘zien’.
Mrfm werkt met behulp van een silicium microhefboom, 85 micrometer lang en 100 nanometer dik, die is voorzien van een magnetische tip, 150 nanometer dik. Dat uiteinde trilt vijfduizend keer per seconde. Die frequentie wordt beïnvloed door de magnetische eigenschappen van het waar te nemen elektron. Een laserstraal meet de afwijkingen in de trillingsfrequentie van de microhefboom.

Atoomlocaties

Het is nu mogelijk om op basis van deze waarnemingsmethode een microscoop te ontwikkelen die

De trillingsfrequentie van de microhefboom wordt gemeten door een laserstraal.

driedimensionale beelden kan maken van moleculen op de schaal van de atomen waaruit ze bestaan. Het nut daarvan is immens voor uiteenlopende gebieden van materiaalonderzoek: proteïneonderzoek, medicijnenontwikkeling, industriële katalysatorstoffen en geïntegreerde circuits op nanoschaal. Daarnaast kan een betere mfrm-sensor dienst doen voor het ‘lezen’ van informatie in het geheugen van toekomstige kwantumcomputers.
Ontwerpers en onderzoekers van dergelijke microscopische constructies hebben veel baat bij het bepalen van atoomlocaties in hun materiaal. “De mogelijkheid om materie duidelijker waar te nemen heeft door de geschiedenis heen altijd al belangrijke nieuwe ontdekkingen en inzichten opgeleverd”, aldus IBM-onderzoeker Daniel Rugar.
Hij en zijn drie collega’s in het Almaden Research Center werken al ruim tien jaar op dit gebied. Zij zetten hun werk nu voort om ook individuele protonen en andere deeltjes, waaronder carbon-13, te kunnen waarnemen. De magnetische kracht van een elektron is zo’n zeshonderd keer sterker dan die van een individueel proton.
Onlangs zijn IBM-onderzoekers in Zürich, samen met collega’s van de Chalmers University in Göteborg, erin geslaagd de lading van individuele atomen te wijzigen. Dit doen zij door elektronen toe te voegen of te verwijderen. De gewijzigde lading van de atomen is stabiel, dus verandert pas weer na ingrijpen.< BR>