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物理|囚禁于纳米围栏中的量子( 三 )


 
从这个意义上 ， 量子围栏就成为研究量子尺寸效应的择优对象之一类 。 原因无他 ， 即 STM 配合量子围栏 ， 可以随意制造各种量子尺寸效应的场景 ， 然后实地表征量子围栏中的各种量子干涉、纠缠、关联和其他相关效应 。 技术上 ， 这种研究只需 STM 一套、巧手一双、有耐心的脑袋一枚 ， 便可以在 Cu、Ag 等 (111) 面上按照 Go – Go – Go 的模式下围棋 ， 从而下出千万种变化、千万种潮流、甚至是宇宙流 。
  
4. 囚禁于围栏的量子
 
物理上 ， 通常根据尺寸量子化的维数 ， 将量子尺寸效应分为三类：
 
(1) 一维受限超薄膜 (指薄膜厚度方向) 。
(2) 二维受限纳米围栏和岛 (平面内受限尺寸) 。
(3) 三维受限量子点 (三维受限) 。
 
一维薄膜中量子尺寸效应的实验能够追溯到 1966 年 。 当时发现在铋 (Bi) 超薄膜中 ， 电阻率、霍尔系数和磁电阻均呈现出厚度依赖的现象 ， 而宏观上这些性质应该与厚度无关 。 此后 ， 薄膜中量子尺寸效应被拓展到光学、相变、超导和磁性等领域 。 应用方面 ， 薄膜量子尺寸效应能够用来改变磁性薄膜层间耦合作用 ， 并调控巨磁阻 。 对量子点中三维量子尺寸效应的研究始于 1980 年代末 。 量子点在医学和屏幕显示上均有广泛应用 。 此外 ， 在实现量子计算的道路上 ， 量子点也提供了一种可供选择的技术方案 。 至于二维平面量子受限效应的关注则与器件小型化有密切关联 ， 所以 IBM 这样的商业公司才会对此颇感兴趣 。 如图 4 所示 ， 笔者在这里将主要讨论纳米量子围栏中的二维量子尺寸效应 [1] 。
 
如前所述 ， 对量子围栏尺寸效应的开创性研究除了图 1 所示的电子态量子束缚 ， 还有近藤共振的量子海市蜃楼效应 。 除此之外 ， 量子尺寸效应也被用来引导原子扩散与自组织、控制统计涨落和调制近藤温度 。 最近的研究工作表明 ， 不依赖于近藤效应的量子海市蜃楼效应能够在费米能附近较宽的能量范围内存在 ， 引起广泛关注 。 更重要的是 ， 与近藤无关的量子海市蜃楼信号甚至能够比原物态的信号更强 ， 颇有些无中生有的味道 。 基于这些优点 ， 物理人设想借助于操纵与近藤无关的量子海市蜃楼 ， 可能实现基本逻辑门 ， 例如“非门”、“扇出门”及“或门”等 。 这里有趣的思路是：海市蜃楼本来就是无中生有 ， 现在竟然可以用无中生有来实现真实的功能 ， 是否有海市蜃楼的感觉！
 
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 。
 
物理|囚禁于纳米围栏中的量子
本文图片

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 。
 
物理|囚禁于纳米围栏中的量子
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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)] 。


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