Фізики вперше безпосередньо виміряли енергію обмінної взаємодії між двома атомами, один з яких був прикріплений до кінця голки скануючого тунельного мікроскопа. Іншими словами, за допомогою одного з атомів вчені «налаштовували» магнітне поле в околиці другого атома і «намагалися» його. При цьому напруженість поля змінювалася майже в тисячу разів - від одного міллітесла до десяти тесла. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Згідно з відомим законом Мура, число транзисторів на інтегральній схемі (а разом з тим і її продуктивність) подвоюється кожні два роки. Водночас закон масштабування Деннарда стверджує, що найбільш вигідний спосіб подвоїти продуктивність схеми - зменшити розмір транзисторів. Це дозволяє знизити напругу, що подається на затвор транзистора, і збільшити швидкість його перемикання. Зрозуміло, суворих обґрунтувань у цих законів немає, і на практиці вони працюють тільки приблизно, а в середині минулого десятиліття виробництво процесорів поступово стало відставати від цих закономірностей.
Тим не менш, техпроцес виготовлення процесорів продовжує неухильно наближатися до розмірів окремих атомів і молекул. Однак на таких масштабах звичайні електронні пристрої можуть програти спинтронним пристроям, які фізики розробляють з середини 1990-х років. На відміну від електроніки, в якій ключову роль відіграє заряд електронів (сигнали передаються імпульсами електричного струму), спінтроніка працює зі спином частинок. Один з перших спинтронних пристроїв, який вже міцно увійшов у наше життя - це жорсткий диск (HDD). Втім, в рамках спинтроніки можна побудувати й інші аналоги звичних електронних приладів - наприклад, спиновий діод. Докладніше про спінтроніку та її практичне застосування можна прочитати в статтях «Магнетизм електрики» і «Жорсткі диски і спінтроніка».
Втім, спинтронні пристрої теж поки ще не дісталися до масштабів окремих атомів. Вирішальне значення при переході до цього «останнього рубежу» грає стабільність осі квантування, вздовж якої вибудовується спин атома. Як правило, щоб поставити цю вісь, вчені покладаються на магнітокристалічну анізотропію. На жаль, цей метод чутливий до обурень уздовж кристалічної осі кристала, тому його стабільність невисока. На щастя, є й інший спосіб керувати намагніченістю атомів, заснований на їх обмінній взаємодії. Грубо кажучи, ця взаємодія нагадує взаємодію двох магнітиків для холодильника, які примагнічуються один до одного тільки при певній орієнтації (це пов'язано зі складним розташуванням північних і південних полюсів магнітів). Щоправда, на відміну від магнітиків, обмінна взаємодія заснована на перекриванні хвильових функцій двох взаємодіючих атомів. Через це взаємодія виявляється сильно локалізована в просторі: хвильова функція електрону в атомі водню експоненційно падає при віддалі від ядра. Теоретично це дозволяє дуже точно налаштовувати параметри окремих атомів.
Група фізиків під керівництвом Кая Янга (Kai Yang) реалізувала цей спосіб на практиці і вперше виміряла обмінну взаємодію між двома атомами. В якості «налаштовуваного» атома вчені використовували атом титану з напівцілим спином. Якщо помістити такий атом у зовнішнє магнітне поле, завдяки ефекту Зеємана його основний стан розщепиться на два стани, що відповідають орієнтації спину вздовж і проти магнітного поля. У таких станах атом сам створює магнітне поле. Щоб збільшити час життя таких станів і зробити картину процесів більш чіткою, вчені посадили атом на тонкий шар ізолятора (оксиду магнію), що відокремлює його від металевої поверхні (срібло (100)). З цієї ж причини фізики охолодили систему до 0,6 кельвін. Нарешті, в якості «записуючого» атома дослідники взяли атом заліза, прикріплений до голки скануючого тунельного мікроскопа. Завдяки швидким коливанням спина цього атома його магнітне поле можна розглядати як класичне. Крім того, регулюючи відстань між кінчиком голки і поверхню, можна керувати силою обмінної взаємодії між двома атомами, а отже, і напруженістю поля «налаштовуваного» атома.
Щоб оцінити енергію обмінної взаємодії, вчені використовували неспругу спектроскопію тунелюючих електронів (inelastic electron tunneling spectroscopy, IETS) і електронний спиновий резонанс. Перший метод заснований на тому, що електрони, які тунелюють крізь шар ізолятора, можуть збудити атом титану і перевести його в стан з протилежною орієнтацією спину. З одного боку, через це провідність зразка, на який поміщений атом, повинна вимірятися. З іншого боку, зміна тим сильніша, чим сильніше старанний атом, тобто чим більше енергія обмінної взаємодії. Отже, за спектром IETS можна відновити цю енергію, правда, тільки в тому випадку, якщо вона перевищує деяке критичне значення. При менших енергіях потрібно використовувати другий метод, який заснований на резонансному поглинанні електромагнітного випромінювання електронами атома титану. Теоретично дозволяюча здатність першого методу знаходиться на рівні декількох мільйелектронвольт, другого методу - на рівні сотень наноелектронвольт.
Як і очікувалося, енергія обмінної взаємодії експоненційно спадала при збільшенні відстані між атомами. При цьому в ході експерименту енергія змінювалася майже в десять тисяч разів - починаючи з десятих часток наноелектронвольт при відстані близько 4,5 ангстрем і закінчуючи приблизно одним мільйелектронвольтом при відстані близько одного ангстрема. Якщо перерахувати енергію в напруженість магнітного поля, це буде відповідати перепадам від одного міллітесла до десяти тесла (напруженість магнітного поля Землі близько 10 мікротеслу).
За словами авторів статті, зміна енергії обмінної взаємодії двох атомів до цього явно не вимірювалася, тому точність таких вимірювань була значно нижчою, ніж у новій статті. У перспективі ж їх робота стане в нагоді не тільки при розробці спинтронних пристроїв, але і при точних вимірах. Зокрема, вчені вважають, що за допомогою схожої установки можна «просканувати» структуру орбіталів поляризованого атома.
Взагалі кажучи, фізики вже давно вчаться вимірювати і керувати магнітним полем окремих атомів або молекул. Наприклад, у листопаді 2015 року фізики з Японії і Тайваню простежили за спиновим станом «одноатомних магнітів» - окремих атомів заліза або хрому, вбудованих у графенову решітку. У жовтні 2018 року хіміки з Британії та Китаю вперше виготовили молекулярний магніт - сполуку, яка може зберігати намагніченість окремого атома. Синтезована сполука була заснована на диспрозії і працювала при температурі рідкого азоту. А минулого місяця фізики з США і Китаю побудували перший магнітометр розміром з одну молекулу. Простіше кажучи, дослідники вивчили магнітні взаємодії молекули нікелоцену, яка знаходилася на поверхні срібла Ag (100), з такою ж молекулою на кінці голки скануючого тунельного мікроскопа. По суті, схема цього досвіду збігається зі схемою експерименту Янга.