磁性表面能够在接近绝对零度时实现精确的原子迁移

吸附原子是吸附在固体材料表面的单个原子，已知会随机从一个点跳到另一个点。在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中，来自德国的一组科学家证明，只要使用的表面具有磁性，单个原子可以在接近绝对零度（4开尔文）的温度下被引导到选定的方向——这一发现可以为精确控制原子运动开辟新的可能性，这是纳米技术、数据存储和功能材料领域备受追捧的能力。

研究人员将单个钴、铑和铱原子放置在1原子厚的锰表面上，以创建磁性明确的表面，并在4 K的温度下使用扫描隧道显微镜（STM）研究了吸附原子的迁移行为。

根据非磁性表面的既定发现，原子运动通常受表面对称性的控制。在研究中使用的六边形锰单层中，原子有望在六个方向中的任何一个方向上随机迁移。然而，令人惊讶的是，研究人员发现，当施加来自STM的短而局部的电压脉冲时，原子始终只朝一个方向移动。

表面上的原子和分子扩散是表面化学中的一个基本过程，因为它对纳米结构和薄膜的生长至关重要，并支撑着广泛的化学反应，包括催化和分子自组装。了解原子运动的实时动力学及其在各种表面条件和外部刺激下的行为对于表面科学的优化至关重要。

探索非磁性表面上原子运动的研究发现，底层表面对称性在引导它们的运动中起着至关重要的作用，在高对称性表面上通常表现出各向同性扩散（每个方向上的扩散相同）。虽然非磁性表面和表面对称性已经得到了广泛的研究，但磁性对扩散的影响在很大程度上仍未通过实验探索。尽管理论预测表明磁性对吸附原子扩散有很强的影响，特别是在铁磁和反铁磁表面。

在这项研究中，研究人员通过在铼（Re）基底上气相沉积单层锰（Mn）原子来设计磁有序表面。这种精确的排列创造了一种具有行反铁磁状态的六边形晶体结构，其中磁矩从一个原子行到下一个原子列方向交替。

磁性元素钴（Co）和非磁性元素铑（Rh）和铱（Ir）的单个原子沉积在Mn/Re表面上，它们的运动是由STM尖端的局部电压脉冲触发的。STM的图像显示，原子严格地沿着平行自旋行一维移动，当电压脉冲启动时，钴移动得最远。

模拟表明，由于吸附原子和表面原子之间的磁相互作用，原子更容易沿着表面的磁排移动，而不是在它们之间移动，两者都像微小的条形磁铁。在磁性钴原子的情况下，这种相互作用是由于它们自身的磁矩而发生的。然而，对于铑或铱等非磁性原子，运动是由表面本身引起的小磁矩引导的。

这项研究揭示了一种利用磁性控制单个原子运动的新方法。在原子层面解锁方向控制是设计具有原子精度的强大技术的游戏规则改变者，从纳米工程材料到量子电路。