高电荷离子熔化纳米金块

通常，我们必须在物理学中做出选择：我们要么处理大事物——比如金属板及其材料特性，要么处理小事物——比如单个原子。但也有一个介于两者之间的世界：小而不小的世界，宏观世界和微观世界的影响都在其中发挥作用。

在 TU Wien 进行的实验位于这个复杂的中间世界：极小的金块，由几千个原子组成，直径约为 10 纳米，被高电荷离子轰击。这使得有针对性地改变这些金块的形状和大小成为可能。结果表明：这个过程中发生的事情不能简单地描绘成高尔夫球在沙坑中的撞击——离子和金片的相互作用要微妙得多。

离子轰击传递的能量

“我们使用多次电离的氙原子。从这些原子中去除了多达 40 个电子，因此它们带电很多，”维也纳工业大学应用物理研究所的理查德威廉教授说。然后，这些带高电荷的离子撞击放置在绝缘基板上的小金岛——然后会发生不同的事情：金岛可能变得更平坦，它们会熔化，甚至会蒸发。“根据我们的离子带电的高度，我们可以触发不同的效果，”当前研究的第一作者 Gabriel Szabo 说，他目前正在 Richard Wilhelm 的团队中撰写他的论文。

高电荷离子以每秒约 500 公里的高速撞击微小的金块。然而，改变金岛的并不是撞击的力量。这个过程完全不同于高尔夫球撞击一堆沙子，或网球意外撞击装饰精美的生日蛋糕。

“如果你以相同的动能将不带电的氙原子射向金岛，金岛几乎保持不变，”Gabriel Szabo 说。“所以决定性因素不是动能，而是离子的电荷。这种电荷也携带能量，并且恰好在撞击点沉积。”

电子结构的变化

一旦带极强正电的离子撞击纳米金片，它们就会从金中夺走电子。在大块黄金中，这不会产生显着影响：黄金是一种优良的导体，电子可以自由移动，更多的电子将从金块的其他区域提供。但纳米金结构是如此之小，以至于它们不能再被视为取之不尽、用之不竭的电子库。正是在这里，人们进入了宏观金属和微小原子团簇及其纳米级特性之间的中间世界。

“撞击离子的电荷能量转移到金上，因此整个纳米金物体的电子结构完全失去平衡，原子开始移动，金的晶体结构被破坏，”理查德解释说威廉。“根据你沉积的能量多少，甚至可能会发生整个纳米金块熔化或蒸发的情况。”

然后可以在原子力显微镜中研究离子轰击的影响：根据离子的电荷，金片的高度会或多或少地减少，Gabriel Szabo 报告说：“就像我们的模型一样据预测，我们可以控制离子对黄金的影响——而不是通过我们给射弹的速度，而是通过它们的电荷。”

改进对此类过程的控制和更深入的理解对于制造各种纳米结构非常重要。“这是一种允许您有选择地编辑特别小结构的几何形状的技术。这对于微电子元件的创建和所谓的量子点一样有趣 - 微小的结构可以实现非常特定的定制电子或光学效应由于它们的量子物理特性，”Richard Wilhelm 说。

这是对微小但还不是微小事物的世界的另一种洞察——对介于量子物理学和固态物理学之间的多方面中间世界的洞察，只有同时牢记量子和多粒子现象才能理解这一点。

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