基础科学研究所
在电子附近随机出现的虚电子-正电子对的示意图(左下角)
信用:RJHall/维基百科 科学家们正在努力设计纳米结构的特性，例如原子和分子，以实现能够在物质的基本尺度——原子尺度——上运行的高效逻辑器件
为了使这种规模的“工程”成为可能，研究人员必须能够观察原子的内部结构，即所谓的轨道结构，其中电子被限制在一系列壳层中
在本周发表在ACS Nano上的一项研究中，由QNS领导的研究取得了前所未有的成果:确定了电子如何在原子和纳米结构的轨道中分布
该团队使用位于西班牙、瑞士和韩国的顶级x光发生器同步加速器，找到了一种根据电子的轨道来区分其属性的方法
“我们不确定我们是否真的有足够的灵敏度在如此微小的结构中单独探测所有这些原子轨道，”教授说
法比奥·多纳蒂，来自QNS的首席调查员
“这一结果证明了一种揭示这些原子行为的新方法，并有可能指导设计它们的性质，以实现未来的原子级器件。”
在这项研究中，研究人员重点关注镧系元素——周期表底部的附加行
这些元素目前正被研究作为潜在的原子级磁体，以实现未来逻辑和存储设备的经典或量子位
能够将它们用于这一目的可以使技术以最小的可用规模运行，在小型化方面提供巨大的潜力
x射线跃迁可以用来感应表面镧系原子的特定轨道，并绘制它们的电子和自旋构型
在图中，附着在氧化镁薄膜上的钆原子被x射线击中
信用:IBS量子纳米科学中心 这些元素的一个独特特征是，它们最重要的电子，即提供原子大部分磁化强度的电子，位于隐藏在原子深处的特定轨道(称为4f)中
因此，很难使用电流来感测它们，这可能给它们集成到电子设备中带来挑战
科学家们正试图确定来自更外部的、电可及的轨道的电子是否可以代替更隐蔽的电子用作读出通道
“我们需要找到一种技术来测量这些原子中的电子，从字面上来说，一个轨道接一个轨道，以找出它们合作的方式，并对原子的磁性做出贡献，”博士说
阿帕拉吉塔·辛哈是QNS的博士后，现在领导着马克斯·普朗克固体研究所的一个研究小组
实验使用非常低的温度(-270℃)来保持镧系元素原子“冻结”在它们的支撑基底上，支撑基底是氧化镁膜
有必要使用非常高的磁场——比地球磁场强10万倍——来磁化镧系元素原子并测量它们的电子特性
研究人员使用X射线击中非常靠近原子核的电子，并将它们激发到他们想要感知的目标轨道
多纳蒂说:“虽然已知这种方法适用于由大量原子组成的晶体，但是否可以在孤立的原子中测量单个轨道是一个大的未决问题。”
“你可以想象在测量过程中看到第一批数据出现在屏幕上是多么令人兴奋
直到那时，我们才意识到没有理论可以解释我们的结果
仍有许多工作要做
" 与只需要几周测量的数据收集阶段相比，分析和解释模型的开发让科学家们忙碌了几个月
利用这种实验结束理论的结合，研究人员可以确定电子是如何在原子轨道中分布的
多纳蒂总结道:“我们相信，了解这些原子的结构，按轨道排列，将为设计未来设备的属性提供新的方向，例如量子计算机和超高密度磁硬盘。”
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