晶体内部的“中等尺度”原子级巧构

本文报道了一项突破性进展：研究人员首次在三维固态晶体中实现了确定性、可重复的原子级工程。过去，科学家虽能利用激光、离子阱或扫描探针等技术操控单个原子（主要在表面或气相中），但将其扩展到三维块体材料内部，并实现大规模、高精度、可编程的原子排列，一直是难以攻克的基础难题。本研究使用像差校正扫描透射电子显微镜（STEM），通过高度聚焦、定位精度达亚20皮米（即0.02纳米）的电子束，精准‘推动’铬（Cr）原子，在磁性半导体CrSBr晶体内部的间隙位置上逐个安置原子，同时在原位产生空位，从而形成稳定的‘空位–间隙原子复合缺陷’。在仅150纳米×100纳米×13纳米的微小三维体积内，研究人员在几分钟内就构建出包含四万多个用户自定义缺陷的有序阵列——这相当于在晶体内部‘生长’出一种全新的、嵌入式的‘介观尺度人工晶体’。尤为关键的是，该结构在室温下稳定存在，且脱离电子显微镜后仍能保持完整，不再依赖特殊环境。研究团队通过实时追踪单个铬原子的运动轨迹，系统归纳出缺陷形成的确定性条件；理论计算进一步表明，这些人工缺陷并非孤立存在，而是形成具有关联性的杂质态：缺陷内部存在光学跃迁，缺陷之间则存在可调控的动能耦合与库仑相互作用。这一成果标志着原子级制造从‘单点操控’迈向‘介观尺度可编程设计’，为未来规模化量子技术提供了通用平台，例如：精准定位发光色心以构建量子比特阵列、在人工晶格中模拟强关联多体物理模型、以及真正意义上的原子级精密制造。