物理学家近日展示了一种将聚焦离子束（FIB）从传统成像与样品处理工具推进到纳米制造的方法：研究人员以可控的离子束直接在单晶材料中铣削出复杂三维结构，包括螺旋、桥状与线圈等形态。与依赖薄膜堆叠或逐层打印的路径不同，该方法通过对固体材料进行直接“切削”，在纳米尺度上实现对器件几何形状的精细塑形。

从二维加工走向三维单晶器件

长期以来，纳米器件制造多以光刻、蚀刻等工艺在平面薄膜上完成，再通过层叠形成结构。这类二维或准二维方法支撑了大量应用，但在需要平滑曲线、悬垂结构等完整三维架构时受到限制。聚焦离子束虽在实验室中广泛用于切割截面、抛光或检查样品，但通常并不用于从零开始制造复杂三维器件。

研究人员在最新实验中将FIB作为“雕刻刀”使用，通过调控束流强度、停留时间与扫描模式，逐层去除材料并尽量保持剩余晶体的结构有序性与电连接，从而把单晶加工为自由悬挂的三维纳米器件。

在磁性Weyl半金属中加工螺旋结构

研究团队的演示样品之一为磁性Weyl半金属Co3Sn2S2单晶。研究人员从块体单晶出发，利用离子束将其加工成微小螺旋结构，使材料从直线形态转变为纳米尺度的“螺旋楼梯”。相关报告指出，该材料的涌现性质与其原子、自旋与电荷有序所对应的对称性密切相关，因此三维形貌重塑会直接影响其表现。

摘要信息显示，这些三维螺旋结构呈现出与结构手性相关的响应，意味着器件几何形状可成为新的调控变量：在化学成分不变的情况下，同一块Co3Sn2S2晶体在直线与螺旋形态下表现不同。研究人员据此将其视为把“形状”引入拓扑材料器件设计的概念验证。

将FIB变为可编程的纳米“刀具”

在该工艺中，离子束被用作可编程加工工具，可在样品固定于基底的条件下，以纳米级精度切割沟槽、弧线与悬垂结构。研究人员将其描述为一种纳米雕刻方法：通过对晶体进行扭曲与倾斜等几何塑形，使器件形状能够影响电流路径与磁化响应。

研究团队表示，该方法在单晶Co3Sn2S2上的实现，为将类似策略扩展至其他对称性同样关键的相关材料与拓扑材料提供了可能。

几何形状被视为新的对称性破缺来源

研究人员强调，这类三维纳米结构的意义不仅在于制造能力本身，还在于把几何形状提升为器件设计的关键参数。在传统器件工程中，对称性破缺多来自材料内禀因素，如磁序或自旋轨道耦合；而在该工作中，螺旋或扭曲结构可引入平直条形结构难以实现的对称性变化。第一作者Max Birch将几何形状描述为与材料内禀属性并列的对称性破缺来源。

在三维螺旋器件中，手性几何形状改变了电子与磁响应，研究团队据此认为，通过对晶体进行受控扭曲，可改变与对称性相关的允许与禁止条件，从而影响电子运动与自旋排列方式。

三维纳米器件制造的潜在方向

研究人员指出，这一方法的影响不局限于单一材料体系。三维纳米器件有望在有限空间内集成更多功能，并以平面结构难以实现的方式耦合机械、电学与磁学效应。基于FIB的单晶三维加工与螺旋器件的展示，提示未来器件可能利用手性几何形状来调控信号传输或影响自旋极化电流等响应。

随着纳米器件领域对三维架构的关注上升，研究团队认为，相关制造方法与对“晶体扭曲如何改变电流流动”的观察相结合，或将推动更多依赖受控扭转或曲率的器件结构探索。