围栏|囚禁于纳米围栏中的量子( 五 ) 纳米|囚禁|量子|cu|fe

不妨来看几个例子，看看物理人是如何用“海市蜃楼”来实现物理功能的。这些例子主要出自笔者过去若干年来的摸索性研究数据，虽然结果显得还很简陋和初步。

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图4.纳米量子围栏中量子尺寸效应示意图及关联研究示意图[1]。
4.1.原子扩散
第一个例子是原子在围栏内扩散行为的量子限域效应。
表面物理很早就告诉我们，晶体表面如果存在一个原子，只要赋予其足够动能，它就会在表面进行无规随机行走。此为经典原子扩散行为，类比于宏观的布朗运动行为。怎么能够在面心立方金属(111)表面上的量子围栏中实现扩散行为的观测呢？最简单直接的做法是：
(1)选择一个合适的金属(111)表面。这里选择Ag而不是Cu的(111)面作为表面；
(2)选择一个实验温度，一般是液氦温度；
(3)选择一类金属原子在Ag (111)表面构建量子围栏。注意，构建围栏的原子必须足够稳定，不能到处行走。可以挑选Fe原子组建围栏，因为Ag (111)表面上的Fe原子扩散势垒较高，在液氦温度下位置足够稳定；
(4)选择一类金属原子作为扩散示踪原子。这种原子在Ag (111)表面上应该很容易随机扩散，即扩散势垒很低。如 Gd原子在液氦温度下其表面扩散能力依然很强。

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图5.用量子围栏研究量子受限下的原子扩散。(a)单晶Ag (111)上由32个Fe原子构建成的、直径为30 nm的圆形围栏。围栏内部的电子本征态密度振荡分布(即量子波动干涉所致的干涉环)清晰可见(见插图)，干涉环间距大约3.8 nm，干涉环振幅由中心向外不断减弱。(b)两个Gd原子(两个耀斑点即为其位置)通过电子束蒸发沉积到围栏内，相距大约7.0 nm。32个Fe原子构成的围栏衬度清晰可辨。(c)在不同时间内随机采集500 多幅图像，然后将这500幅图像叠加起来，就形成了这两个Gd原子的位置概率分布图。这里，亮度越高表示此处Gd占据的概率越高。仔细辨认，可以看到Gd原子分布呈现三个圆环，越靠近Fe原子围栏，圆环亮度越高。越靠近中心的圆环衬度越暗，难以分辨。(d)在围栏内部放置20个Gd原子，一段时间后可以看到这些Gd原子会在靠近围栏内测形成一个不闭合的圆环(图中用高亮的细线将环连起来，以便辨认；外侧的蓝线标识的是Fe原子围栏)。结果来自文献[Phys. Rev. B 87, 085415 (2013)]。
满足了上述四个条件，就可以开始进行实验了：
(1)首先在Ag (111)表面上沉积若干Fe原子，并利用STM操纵32个Fe原子形成一个围栏，如图5(a)中的蓝色圆环所标识。这个围栏在实验温度下高度稳定。
(2)测量围栏内的本征态密度分布，即得到类似于图1(a)的干涉花样，其线扫描曲线作为插图显示。