科學家們首次在金屬表面形成一個帶電的稀土分子，並使用掃描隧道顯微鏡對其進行旋轉。來自俄亥俄大學、阿貢國家實驗室和伊利諾伊大學芝加哥分校的科學家們使用掃描隧道顯微鏡在金屬表面形成一個帶電的稀土分子，並在不影響其電荷的情況下順時針和逆時針旋轉它。他們的發現為研究對未來很重要的材料的原子尺度操縱開闢了新的途徑，這些材料包括從量子計算到消費電子。

稀土元素對高科技應用至關重要，包括手機、高清電視等等。團隊負責人Saw-Wai Hla說：”這是首次在金屬表面形成帶有正負電荷的稀土複合物，也是首次展示對其旋轉的原子級控制，”他擁有阿貢大學科學家和俄亥俄大學文理學院物理和天文學教授的雙重身份。

該實驗在阿貢和俄亥俄大學進行，利用了兩個不同的低溫掃描隧道顯微鏡（STM）系統。STM實驗的環境要求在超高真空中的溫度約為5攝氏度（-450華氏度）。樣品分子的大小大約為2納米。

稀土轉子。(a) 旋轉的Eu複合物的STM圖像在Au(111)上顯示為一個圓盤形狀。(b) 通過從STM尖端提供電能來進行控制旋轉。(c), (d) 分別是一個複合物旋轉前和旋轉後。虛線圈表示用於控制的反離子。資料來源：Saw Wai Hla

Hla說：”在兩個地方都取得了相同的結果，這確保了實驗的可重複性。”俄亥俄州的實驗室由Hla小組的學生操作，該小組與納米和量子現象研究所有關。

這些科學家的研究最近發表在《自然通訊》雜誌上。

研究人員組裝的稀土複合物是帶正電的銪基分子與帶負電的反離子在黃金表面上。通過應用從STM尖端發出的電場，利用下面的反離子作為支點，導致複合物的旋轉。研究人員證明了對這些稀土複合物旋轉的100%的方向控制。

俄亥俄大學化學系教授兼Roenigk主席Eric Masson是該項目的共同研究者之一，他設計了這些稀土複合物，他在俄亥俄大學的小組合成了這些複合物。阿貢的科學家和伊利諾伊大學芝加哥分校化學工程系副教授Anh Ngo的小組利用阿貢的BEBOP（迄今為止美國最強大的超級計算機）進行了密度函數理論計算。計算結果顯示，在分子-基質界面上只有微不足道的電荷轉移，這意味著複合物在表面上仍然帶電。

Hla和合作者在阿貢高級光子源用一種被稱為同步輻射X射線掃描隧道顯微鏡的新生實驗方法確定了吸附在表面上的複合物中的Eu離子的化學狀態，他們確認分子在金表面帶正電。STM圖像顯示該結構是一個帶有三條臂的扭曲的三角形。用創紀錄的8000個光譜幀獲得的STM電影證明了下面的反離子的加入。然後，Hla小組使用STM操作進一步證明了控制旋轉，它顯示了順時針和逆時針的隨意旋轉。

“這些發現對於開發納米機械裝置可能是有用的，在這些裝置中，複合體中的各個單元被設計為控制、促進或限制運動，”Hla說。”我們已經證明了帶電稀土複合物在金屬表面的旋轉，現在可以對它們的電子和結構以及機械性能進行一次復合調查。”