研究人员回答有关电子态的关键问题

科学家们正在努力设计纳米结构的特性，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之间分布。该团队使用位于西班牙、瑞士和韩国的顶级 X 射线发生器，称为同步加速器，确定了一种方法，可以根据电子轨道区分电子的特性。

“我们不确定我们是否真的有足够的灵敏度来单独探测如此微小结构中的所有这些原子轨道”，QNS 的首席研究员 Fabio Donati 教授说。“这一结果证明了一种揭示这些原子行为的新方法，并可能指导它们的特性工程以实现未来的原子级设备”。

在这项研究中，研究人员专注于镧系元素——元素周期表底部的附加行。这些元素目前被研究为潜在的原子级磁铁，以实现未来逻辑和存储设备的经典或量子位。能够将它们用于此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。

这些元素的一个独特特征是它们最重要的电子，即提供大部分原子磁化强度的电子，位于隐藏在原子深处的特定轨道(称为 4f)中。因此，很难使用电流来感应它们，这可能会给它们集成到电子设备中带来挑战。

科学家们正试图确定是否可以将来自更多外部且电可及的轨道的电子用作读出通道，而不是更多隐藏的电子。“我们需要找到一种技术，可以测量这些原子中的电子，逐个轨道地测量，以找出它们合作的方式并对原子磁性做出贡献，”作为博士后开始这项研究的 Aparajita Singha 博士说在 QNS 任职，现在领导马克斯普朗克固态研究所的一个小组。

该实验是在非常低的温度 (-270 C) 下进行的，以保持镧系元素原子“冻结”在其支撑基板上，该基板是氧化镁膜。必须使用非常高的磁场——比地球磁场强 100,000 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 射线撞击离原子核非常近的电子，并将它们激发到他们想要检测的目标轨道。“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很大的悬而未决的问题，”多纳蒂说。“您可以想象在测量过程中看到屏幕上出现的第一个数据是多么令人兴奋。直到那时我们才意识到没有任何理论可以解释我们的结果。还有很多工作要做。”

与仅需要几周测量的数据收集阶段相比，解释模型的分析和开发让科学家们忙了几个月。使用这种实验结束理论的组合，研究人员可以确定电子如何在原子轨道中分布。“我们相信，逐个轨道地了解这些原子的结构，将为设计未来设备的特性提供新的方向，例如量子计算机和超密磁硬盘驱动器”，Donati 总结道。

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