1993年，Crommie等人利用扫描隧道显微镜（STM）在Cu(111)表面上操控48个Fe原子排成一个圆圈，构建了第一个量子围栏。自此之后，贵金属表面的量子限域效应引起了广泛关注。利用STM操控单个原子或分子的方法具有较高的灵活性，可以实现各类电子和自旋晶格（如六角、Kagome, Lieb等）的精准合成。然而，这种方法难以满足大规模批量化的制备。表面在位化学反应可以在衬底上使单体分子之间发生化学反应，形成新的共价键，从而“自下而上”地实现新材料的合成，是一种可以实现精确控制和制备稳定的低维纳米结构的有效途径。其中，最经典的例子是以溴代芳香环分子为前驱体制备具有原子级精准边界结构和确定宽度的石墨烯纳米带。然而，热激发表面反应制备的低维纳米材料往往具有缺陷密度高、晶畴尺寸小等缺点。此外，在金属表面制备的有机框架纳米腔中要实现量子围栏，必须满足一个重要条件，即纳米孔的尺寸需要与金属表面二维电子气的费米波长相当。这些限制条件使得实验上在有机框架结构中同时获得高产率和稳定的量子围栏提出了巨大挑战。

近日，北京航空航天大学、北航杭州创新研究院（余杭）的周苗教授与牛天超研究员在Au(111)表面上构建高产率且稳定的量子围栏取得重要进展，研究成果以“High-yield production of quantum corrals in a surface reconstruction pattern”发表在国际权威期刊Nano Letters上。

该工作基于脱卤反应副产物Br原子，并通过在加热的Au(111)表面上沉积少量六溴苯以控制Br原子的密度。Br原子与金属衬底原子之间形成强化学键而引起Au(111)表面重构，形成了一种新的三角形特征，Br原子被限制在三角形的表面重构中，聚集形成了平均尺寸为3.7±0.1 nm的纳米孔。这样，金属表面的二维周期性势场被破坏，使得其电子波受到散射，并在每个Br围成的量子围栏内产生了类似原子轨道的量子共振态。有趣的是，STM的进一步观测发现，在“足球场”形状的量子围栏中，原子轨道杂化形成了具有成键态和反键态的类分子轨道。作者通过紧束缚近似和第一性原理计算，分析了量子围栏的形成机制与物理特性。特别地，通过分析Br原子与Au(111)表面的稳定性和电荷转移，证明了Br与衬底之间存在强烈的相互作用，从而引起因吸附引起的金属表面重构，与实验观测完美契合。该研究为实现高产且稳定的量子材料制备提供了一种新思路。

图1：六溴苯脱卤反应和Au(111)表面量子围栏的形成示意图

图2：“足球场”形量子围栏栏中量子共振态的表征

研究团队提出了一种实现高产率且稳定量子围栏的制备方法，将六溴苯分子沉积到加热的Au(111)表面发生脱卤反应，副产物Br原子聚集成纳米孔，使表面电子被限制在量子围栏中而实现量子共振态。与STM操控单个原子/分子及自组装或表面在位反应合成有机框架结构等方法相比，利用Br原子在金属表面的强键合作用来构建稳定的量子围栏不仅为探索新型量子物态提供了更多可能，而且为设计具有原子精度的体系提供了一个更好的平台。

相关论文发表在Nano Letters上，北京航空航天大学、北航杭州创新研究院（余杭）博士生窦文珍和博士后武媚媚为文章的共同第一作者，周苗教授、牛天超研究员为通讯作者，博士研究生宋碧玉、博士后华陈强、智国翔参与该项研究。

研究团队主页：https://www.zfau.cn/info/1027/1448.htm

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03814