晶格中的介观尺度原子工程

《Nature》：Mesoscale atomic engineering in a crystal lattice

　　

摘要

利用激光^{1、离子陷阱2以及扫描探针尖端3，我们对物质的理解发生了深刻变化，并在量子科学领域取得了突破456。然而，将这种控制扩展到三维（3D）固体和介观尺度仍然是一个基础性挑战。众所周知，电子显微镜中的电子辐照会导致原子位移7，并且已经提出了8并展示了910。然而，重复性和确定性的控制仍然难以实现91011121314151617。在这里，我们展示了在三维晶体中的确定性原子工程，能够在几分钟内在一个150 nm × 100 nm × 13 nm的体积内创建超过40,000个用户定义的缺陷的有序排列。通过使用精度低于20 pm的电子束将单个Cr原子引导到选定的间隙位置，我们创建了空位-间隙复合体。由此产生的杂质阵列形成了嵌入在宿主晶格中的介观尺度晶体，这是一种新的工程化人工物质，在室温下和显微镜外仍然稳定。通过追踪Cr原子的位移，我们确定了缺陷结构可预测的条件。我们的计算表明，这些缺陷形成了具有缺陷内光学跃迁以及缺陷间动力学和库仑相互作用的关联杂质状态。这为介观甚至宏观尺度上的原子缺陷工程提供了一个可推广的平台，为可扩展的量子技术打开了机会，包括确定性的色心放置、多体晶格模型的量子模拟和原子级制造。}