DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68314-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545365
تاريخ النشر: 2026-01-16
المؤلف: Soo‐hyon Phark وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات الحفزية في علوم المواد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في حالات الدوران والشحنة لذرات التيتانيوم (Ti) المفروضة على أفلام أكسيد المغنيسيوم (MgO) الرقيقة جدًا على أسطح الفضة (Ag(100))، باستخدام مزيج من الرنين المغناطيسي الإلكتروني (ESR) وميكروسكوب المسح النفقي (STM). تحدد الدراسة حالتين متميزتين من الدوران، $S = 1/2$ و $S = 1$، واللتان تعتمد على موقع الامتصاص المحلي وسمك فيلم MgO. على وجه الخصوص، تظهر ذرات Ti في مواقع O-atop حالة دوران قدرها $S = 1$، بينما تلك الموجودة في مواقع الجسر تعطي $S = 1/2$. تشير الحسابات النظرية إلى تكوين Ti$^+$ مع ثلاثة إلكترونات تكافؤ في المدارات 3d و 4s، ويعزى التباين في حالات الدوران إلى التفاعل بين التكوينات المدارية المولدة للدوران والمضادة له، المتأثرة بالهندسة المحلية.
تظهر النتائج أن حالات دوران Ti يمكن التحكم فيها بشكل عكسي دون تغييرات كيميائية لا رجعة فيها، مما يشير إلى منصة قوية لتكوين كيوبيتات الدوران على النطاق الذري. تستبعد الدراسة استقرار بعض أنواع هيدريد التيتانيوم تحت الظروف العادية، مما يشير إلى أن Ti الخالص هو الشكل السائد. بشكل عام، يسلط هذا العمل الضوء على الإمكانية لتصميم حالات دوران وشحنة قابلة للتعديل في الذرات المفروضة على السطح، مما يمهد الطريق لتطوير هياكل نانوية كمومية قابلة للتوسع بخصائص مصممة لتطبيقات الحوسبة الكمومية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم في التحكم في الذرات الفردية باستخدام ميكروسكوب المسح النفقي (STM)، والذي مكن من التصنيع الدقيق للهياكل النانوية. لقد عزز دمج الرنين المغناطيسي الإلكتروني (ESR) مع STM بشكل كبير من دقة الطاقة، مما يسهل استكشاف الذرات الفردية ككيوبيتات محتملة للحوسبة الكمومية. من الجدير بالذكر أن أنظمة مختلفة ذات دوران إلكتروني قدره \( S = \frac{1}{2} \)، مثل التيتانيوم (Ti) والفثالوسيانين الحديدي (FePc)، قد تم دراستها، مما يظهر ملاءمتها للتطبيقات المتماسكة كموميًا. ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة بسبب التفاعلات المعقدة بين المواد الممتصة والركائز التي يمكن أن تغير حالات شحنتها ودورانها، مما يؤثر على أوقات التماسك.
يهدف المؤلفون إلى توضيح حالات الدوران والشحنة لذرات Ti على أفلام أكسيد المغنيسيوم (MgO) ذات السماكات المختلفة باستخدام مزيج من مطيافية المسح النفقي (STS)، وESR، ونظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، وحسابات متعددة الأطياف. تكشف نتائجهم أن حالة دوران Ti حساسة للهندسة المحلية لامتصاصه وسمك MgO، مع ملاحظة \( S = \frac{1}{2} \) في تكوينات معينة، بينما يتم تحديد حالات دوران أعلى في أخرى. تستنتج الدراسة أن الآلية الأساسية لتباين الدوران هي التفاعل في موقع الامتصاص، بدلاً من العوامل الخارجية مثل التخصيب الكيميائي، مما يفتح آفاقًا جديدة لتصميم كيوبيتات الدوران المدعومة على السطح.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المعلمات التجريبية والأساليب المستخدمة في التحكم في ذرات التيتانيوم (Ti) على سطح أكسيد المغنيسيوم (MgO) المكون من ثلاث طبقات (3ML). يتم استخدام تقنيتين رئيسيتين: “التقاط والإفلات” و”السحب” لذرات Ti. يتم تلخيص المعلمات التجريبية لهذه الطرق، بما في ذلك التيار ($I_0$)، والجهد ($V_0$)، والمسافات القافزة، والفواصل الزمنية، في الجداول II و III. يفترض المؤلفون أن المساهمات من مصادر الطاقة الحرة الأخرى ضئيلة، مما يسمح بتحليل استقرار أنواع مختلفة من هيدريد التيتانيوم (TiH$_x$) بالنسبة لمصادر الهيدروجين.
تشير حسابات الطاقة الحرة لجيبس ($G$) إلى أن TiH$_2$ مفضل ديناميكيًا على TiH عندما يتم الحصول على الهيدروجين من الغاز H$_2$. تشير النتائج إلى أن استقرار TiH$_2$ يعتمد على توفر الهيدروجين، مع بقاء Ti على سطح MgO في ظروف نقص الهيدروجين. يقدم المؤلفون أيضًا نتائج نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي تكشف عن العزوم المغناطيسية والطاقة الكيميائية المرتبطة بأنواع Ti و TiH على ركيزة MgO/Ag(100). من الجدير بالذكر أن العزوم المغناطيسية لتكوينات TiH و TiH$_2$ يتم مناقشتها، مما يبرز الفجوات بين التوقعات النظرية والملاحظات التجريبية، خاصة فيما يتعلق بحالات الدوران المتوقعة. بشكل عام، يبرز القسم العلاقة المعقدة بين تقنيات التحكم في الذرات، والاستقرار الديناميكي الحر، والخصائص المغناطيسية لـ Ti وهيدريداته على أسطح MgO.
المناقشة
في هذه الدراسة، يبحث المؤلفون في حالات الدوران والشحنة لذرات التيتانيوم (Ti) المفروضة على أفلام أكسيد المغنيسيوم (MgO) الرقيقة جدًا على ركيزة فضية (Ag) باستخدام مزيج من الرنين المغناطيسي الإلكتروني (ESR)، وميكروسكوب المسح النفقي (STM)، والحسابات النظرية. تكشف النتائج أن حالة دوران Ti تعتمد بشكل كبير على موقع امتصاصه: Ti في مواقع O-atop من MgO (3) تظهر حالة دوران قدرها $S = 1$، بينما تعطي مواقع الجسر على كل من MgO (2) و MgO (3)، بالإضافة إلى مواقع O-atop على MgO (2)، حالة دوران قدرها $S = 1/2$. يوضح المؤلفون أن هذه الحالات من الدوران يمكن تبديلها بشكل عكسي من خلال التحكم ذرة بذرة، مما يستبعد العمليات غير القابلة للعكس مثل الهيدروجين كسبب لتباين حالة الدوران.
تشير نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وحسابات متعددة الأطياف إلى أن Ti يوجد بشكل أساسي في حالة شحنة Ti$^+$ مع ثلاثة إلكترونات تكافؤ موزعة عبر المدارات 3d و 4s. تعزى الاختلافات الملحوظة في حالات الدوران إلى التفاعل بين التكوينات المدارية المولدة للدوران والمضادة له، والتي تتأثر بالهندسة المحلية لامتصاصها وسمك طبقة MgO. تستنتج الدراسة أن Ti على MgO يمكن أن يستضيف بشكل مستقر حالات دوران متعددة في تكوين كيميائي نقي، مما يوفر أساسًا لتصميم كيوبيتات الدوران على النطاق الذري بخصائص مصممة، مما قد يسهل تطوير هياكل نانوية كمومية قابلة للتوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68314-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545365
Publication Date: 2026-01-16
Author(s): Soo‐hyon Phark et al.
Primary Topic: Catalytic Processes in Materials Science
Overview
This research investigates the spin and charge states of single titanium (Ti) atoms adsorbed on ultrathin magnesium oxide (MgO) films on silver (Ag(100)) surfaces, utilizing a combination of electron spin resonance (ESR) and scanning tunneling microscopy (STM). The study identifies two distinct spin states, $S = 1/2$ and $S = 1$, which depend on the local adsorption site and the thickness of the MgO film. Specifically, Ti atoms on O-atop sites exhibit a spin state of $S = 1$, while those on bridge sites yield $S = 1/2$. Theoretical calculations suggest a Ti$^+$ configuration with three valence electrons in the 3d and 4s orbitals, and the variability in spin states is attributed to the interplay between spin-polarizing and depolarizing orbital configurations influenced by local geometry.
The findings demonstrate that the spin states of Ti can be reversibly manipulated without irreversible chemical changes, indicating a robust platform for atomic-scale spin qubits. The research rules out the stability of certain titanium hydride species under typical conditions, suggesting that bare Ti is the dominant form. Overall, this work highlights the potential for engineering tunable spin and charge states in surface-supported single atoms, paving the way for the development of scalable quantum nanostructures with tailored properties for quantum computing applications.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements in the manipulation of individual atoms using scanning tunneling microscopy (STM), which has enabled the precise fabrication of nanostructures. The integration of electron spin resonance (ESR) with STM has significantly enhanced energy resolution, facilitating the exploration of single atoms as potential qubits for quantum computing. Notably, various systems with electronic spins of \( S = \frac{1}{2} \), such as titanium (Ti) and iron(II) phthalocyanine (FePc), have been studied, demonstrating their suitability for quantum-coherent applications. However, challenges remain due to the complex interactions between adsorbates and substrates that can alter their charge and spin states, impacting coherence times.
The authors aim to elucidate the spin and charge states of Ti atoms on magnesium oxide (MgO) films of varying thicknesses using a combination of scanning tunneling spectroscopy (STS), ESR, density functional theory (DFT), and multiplet calculations. Their findings reveal that the spin state of Ti is sensitive to the local adsorption geometry and MgO thickness, with \( S = \frac{1}{2} \) observed in certain configurations, while higher spin states are identified in others. The study concludes that the primary mechanism for spin variability is the interaction at the adsorption site, rather than external factors like chemical doping, thereby opening new avenues for the engineering of surface-supported spin qubits.
Methods
In this section, the authors detail the experimental parameters and methodologies employed for manipulating titanium (Ti) atoms on a three-monolayer (3ML) magnesium oxide (MgO) surface. Two primary techniques are utilized: “Pick up and Drop off” and “Dragging” of Ti atoms. The experimental parameters for these methods, including current ($I_0$), voltage ($V_0$), hopping distances, and time intervals, are summarized in Tables II and III. The authors assume negligible contributions from other free energy sources, allowing for the analysis of the stability of various titanium hydride (TiH$_x$) species in relation to hydrogen sources.
The Gibbs free energy ($G$) calculations indicate that TiH$_2$ is thermodynamically favored over TiH when hydrogen is sourced from gas-phase H$_2$. The findings suggest that the stability of TiH$_2$ is contingent upon the availability of hydrogen, with Ti remaining on the MgO surface under conditions of hydrogen scarcity. The authors also present density functional theory (DFT) results that reveal the magnetic moments and chemical energies associated with Ti and TiH species on the MgO/Ag(100) substrate. Notably, the magnetic moments for TiH and TiH$_2$ configurations are discussed, highlighting discrepancies between theoretical predictions and experimental observations, particularly regarding the expected spin states. Overall, the section emphasizes the intricate relationship between atom manipulation techniques, thermodynamic stability, and magnetic properties of Ti and its hydrides on MgO surfaces.
Discussion
In this study, the authors investigate the spin and charge states of titanium (Ti) atoms adsorbed on ultrathin magnesium oxide (MgO) films on a silver (Ag) substrate using a combination of electron spin resonance (ESR), scanning tunneling microscopy (STM), and theoretical calculations. The results reveal that the spin state of Ti is highly dependent on its adsorption site: Ti on oxygen-atop sites of MgO (3) exhibits a spin state of $S = 1$, while bridge sites on both MgO (2) and MgO (3), as well as oxygen-atop sites on MgO (2), yield a spin state of $S = 1/2$. The authors demonstrate that these spin states can be reversibly switched through atom-by-atom manipulation, ruling out irreversible processes such as hydrogenation as the cause of spin state variability.
Density functional theory (DFT) and multiplet calculations indicate that Ti predominantly exists in a Ti$^+$ charge state with three valence electrons distributed across 3d and 4s orbitals. The observed differences in spin states are attributed to the interplay between spin-polarizing and depolarizing orbital configurations, which are influenced by the local adsorption geometry and the thickness of the MgO layer. The study concludes that Ti on MgO can stably host multiple spin states in a chemically pure configuration, providing a foundation for the design of atomic-scale spin qubits with tailored properties, which could facilitate the development of scalable quantum nanostructures.