高端科研仪器就是科学家的“眼睛”。科学研究的发展需求，促进了仪器科学的发展，仪器科学的发展帮助了科学研究的进步，至此，进入了一种良性循环。——原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）以其快速表征、纳米级分辨率的优势，在材料表面形貌结构信息、表面粗糙度信息，甚至原子的观测中发挥越来越重要的作用。AFM通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而得到材料表面粗糙度等信息。
化学键：通常在原子的电子态之间形成，原则上来说，其他电子态也可以形成键。人造原子：将一定数量的电子限制在一个狭小的空间中的结构，因此这些电子显示出离散的能级。德国雷根斯堡大学的Franz Giessibl教授借助AFM这一工具，发现量子围栏产生的电子态可以与原子力显微镜针尖上的金属原子形成化学键。科拉尔态（corral states）由量子围栏上的电子组成，相比于原子轨道有很大的空间。这种共价键由量子围栏上的48个原子的共价键束缚，能量非常的微弱，仅仅为5meV。相关论文以“Very weak bonds to artificial atoms formed by quantum corrals”为题发表在近日的《Science》期刊上。
【AFM技术在原子观测中的应用】
1993年，IBM公司Almaden研究中心的D. M. Eigler等人在铜的表面构建了一个由48个铁原子组成的环。由于被困在该结构内的表面电子产生了异常的驻波图案，被称为“量子围栏”相关论文以“Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface”为题发表在《Science》,并被选为当期封面。作者表示，通过将分离好的原子排列在紧密的表面上，获得了大量新的物理学知识。但是，在任何紧密结构中，都很难看到原子的排列，鉴定原子的元素，或是将原子放在可观测的地方形成一个分子。该研究引起了学界的轩然大波，但是实现原子尺度的观测也成为了悬而未决的问题。
图1 由48个铁原子组成的量子围栏
2005年，日本大阪大学的Oscar Custance和kazo Morita领导的一个小组使用AFM对半导体顶层的原子进行了可控的横向操作(Nature Materials,2005,4,156–159)。三年后，他们演示了半导体上层的原子与AFM尖端的原子之间的相互交换。该团队甚至表明，用原子力显微镜可以区分不同类型的原子(Science, 2008, 322(5900):413-417.)。
图2 2008年日本团队用AFM观测半导体上层原子
近日，研究人员利用扫描探针显微镜的尖端构建了两个不同大小的人造原子:一个是经典的48个原子的量子圈，另一个是只有24个铁原子的更小的量子圈。量子圈在铜表面形成了一个电子笼。自然原子环提供了一种俘获电子的机制，形成一个人工原子，就像自然原子中原子核和电子之间的引力库仑力。实验中使用的显微镜配备了一个基于石英表技术的qPlus传感器，可以测量非常微小的力科学家们探索了原子力显微镜尖端前端原子与电子之间的相互作用，发现了一个能量约为5meV的大系统的键。在较小的畜栏中也检测到类似的结合力。自然原子的共价键相当于几个电子伏的键能。
图3 在Cu(111)上由48个Fe原子组成的量子圈
【人工原子与天然原子形成了化学键】
自然共价键建立在相同微观尺寸的原子轨道之间。一个天然原子与一个比它大100倍的人造原子形成了化学键。微观和介观长度尺度相遇，这项研究被评论为一个惊人的成就。量子阱和原子力显微镜针尖之间的力，是原子力显微镜研究中使用的典型值的千分之一，成为一个真正的环力。这项工作正在突破目前测量小力的技术极限。德国慕尼黑工业大学的Willi Auwärter评论说，作者可以测量一定距离范围内非常弱的相互作用，证明了金属端接尖端的吸引力和CO-端接尖端的斥力。这项工作为纳米级人造原子的键合特性提供了前所未有的见解，与天然原子相比，这种人造原子体积大，电子密度低。
图2单原子金属尖端(左柱)和CO端接尖端(右柱)的量子圈内AFM数据。
综上，这项研究是对人造原子化学键的首次测量，它使难以捉摸的量子力学的特性可视化。相信在不久的未来，量子信息、材料科学和化学等领域的应用就会出现。
来源：高分子科学前沿
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