A miniature evaporator for in-operando deposition of isolated atoms in a low-temperature scanning tunneling microscope
本文介绍了一种由商用白炽灯灯泡制成的紧凑型集成微型蒸发器，该蒸发器能够在毫开尔文扫描隧道显微镜内，在保持热稳定性的同时克服几何限制并保留对同一原子级表面区域的访问能力，从而实现孤立铁原子在冷样品上的原位沉积。
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在原子科学领域，研究人员经常需要研究单个原子和分子，以了解物质在最基本层面上是如何运作的。为了实现这一目标，他们使用了一种被称为扫描隧道显微镜的强大工具，这种工具可以观察甚至移动单个原子。然而，这些显微镜通常在极低温度下工作效果最好，通常仅比绝对零度高出几度。在这些极寒温度下，落在表面的原子停止了移动，这使得科学家能够对它们进行孤立研究。挑战在于，当科学家想要在这些冰冻景观中添加新原子时，传统方法需要从远处发送原子流，但这些超低温机器复杂且受保护的内部结构往往会阻挡路径。此外，标准设备产生的热量可能会使精密的显微镜升温，从而破坏实验。这产生了一个难题：如何在不干扰机器或失去在添加前后观察同一精确位置的能力的情况下，将新的、孤立的原子轻轻地放置在冰冻表面上。
为了解决这个问题，一个研究小组开发了一个微型内置装置，它像一个微型熔炉一样，直接位于显微镜的头部内。他们没有尝试从外部射入原子，而是创造了一个如此之小且凉爽的源头，使其可以在不造成麻烦的情况下就在样本旁边运行。他们利用一种商用的微型灯泡（用于手电筒或模型火车的类型）制造了这个装置。通过仔细去除玻璃外壳，他们暴露出了内部微小的钨丝。随后，他们用一层薄薄的铁涂覆了这根导线。当他们通过导线通入微弱电流时，导线会产生足以释放单个铁原子的热量，然后这些原子会飘落到下方的样本上。由于该装置非常小且消耗功率极低，它不会导致显微镜过热。事实上，整个机器在过程中仅升温了约两度，这使得研究人员能够在添加原子后立即回到完全相同的微观视图。
研究人员通过将该装置置于冷却至接近绝对零度的显微镜内，测试了这种新方法。他们准备了一个由银和氧化镁制成的洁净表面，作为实验的舞台。在开启装置之前，他们拍摄了表面的详细照片以记录其状况。随后，他们启动了微型熔炉九分钟，并将时间分为三次短促的脉冲以控制原子的流动。在此期间，显微镜的温度略有上升，但在切断电源后迅速恢复正常。当团队再次观察同一位置时，他们发现表面上出现了六个新的、孤立的铁原子。五个落在银上，一个落在氧化镁岛上。至关重要的是，显微镜的观察镜头位置偏移不到五纳米，这意味着他们观察的是与开始时完全相同的微小区域。这证实了该装置可以在不迫使研究人员移动显微镜或丢失位置的情况下添加原子。
为了确保新出现的点确实是铁原子而非其他污染物，科学家们使用了一种测量电子如何跨越表面的技术。他们发现，新原子在约十四毫伏的电压下产生了一个特定的信号。该信号与已知关于氧化镁上铁原子的特征完美匹配，从而确认了它们的身份。团队还计算了该装置的使用寿命。根据他们放在导线上的铁量以及释放原子的速率，他们估计该源头总共可以运行约一百五十个小时。这将允许进行大约一千次独立的沉积实验，直到铁耗尽为止。这种方法的成功证明，在最受限的超低温环境中进行精细的原子工作是可能的，而无需破坏真空或移动沉重的设备。它为科学家开辟了一扇大门，让他们可以在需要的地方，一步步构建复杂的原子结构，同时保持整个系统的冰冻与稳定。
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