High-resolution scanning tunneling microscopy data on the reconstructed Au(111) surface are presented that give a comprehensive picture of the atomic structure, the long-range ordering, and the interaction between reconstruction and surface defects in the reconstructed surface. On the basis of the atomically resolved structure, the stacking-fault-domain model involving periodic transitions from fcc to hcp stacking of top-layer atoms is confirmed. The practically uniform contraction in the surface layer along [11\ifmmode\bar\else\textasciimacron\fi{}0] indicates that the previously proposed soliton functionalisms are not correct descriptions for the fcc\ensuremath{\rightarrow}hcp stacking transition. The lateral displacement of \ensuremath{\sim}0.9 \AA{} in the ${(}_{\mathrm{\ensuremath{-}}1}^{22}$ $_{2}^{0}$) unit cell along [112\ifmmode\bar\else\textasciimacron\fi{}] is in good agreement with the transition between fcc and hcp stacking. The vertical displacement in the transition regions (0.20\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.05 \AA{}) is largely independent of the tunneling parameters, while the atomic corrugation (0.2 \AA{} typically, up to 1 \AA{}) depends strongly on tunneling parameters and tip conditions.The two different stacking regions within the unit cell are directly identified from the domain pattern at step edges; fcc stacking is deduced for the wider areas and thus is energetically more favorable. A new long-range superstructure is reported. It is created by a correlated periodic bending of the parallel corrugation lines by \ifmmode\pm\else\textpm\fi{}120\ifmmode^\circ\else\textdegree\fi{} every 250 \AA{}, i.e., rotational domains are arranged in a zigzag pattern. Interactions on this scale indicate long-range elastic lattice strain. This structure reflects the overall tendency to isotropic contraction, combining the locally favorable uniaxial contraction and an effective isotropic contraction on a larger scale. Boundaries of rotational domains can also be formed by a termination of the reconstruction lines. Individual corrugation lines, separating different stacking regions, cannot disappear. The termination occurs in well-ordered, U-shaped connections of neighbored lines or by a complicated pattern of entangled corrugation lines. Steps and bulk defects do not inhibit the reconstruction, but can affect the local reconstruction pattern. In most cases steps are crossed by the reconstruction lines, and the strict correlation of the reconstruction pattern on the terraces, both in phase and orientation, reflects interaction over the step edge. Sometimes the reconstruction pattern at the steps resembles those found at rotational domain boundaries.

The isotropic magnetic moment of a free atom is shown to develop giant magnetic anisotropy energy due to symmetry reduction at an atomically ordered surface. Single cobalt atoms deposited onto platinum (111) are found to have a magnetic anisotropy energy of 9 millielectron volts per atom arising from the combination of unquenched orbital moments (1.1 Bohr magnetons) and strong spin-orbit coupling induced by the platinum substrate. By assembling cobalt nanoparticles containing up to 40 atoms, the magnetic anisotropy energy is further shown to be dependent on single-atom coordination changes. These results confirm theoretical predictions and are of fundamental value to understanding how magnetic anisotropy develops in finite-sized magnetic particles.

Thin films are often grown away from thermodynamic equilibrium and their morphology becomes determined by kinetics. The final structure of the epitaxial film is decided in the very early stage of submonolayer nucleation and island growth. Recent experiments with scanning tunneling microscopy opened up an unprecedented view of this early stage of epitaxial growth. Variable sample temperatures enabled quantification of the rates of the most important atomic diffusion events and tracing back their interplay yielding the final submonolayer morphology. The present understanding of nucleation and aggregation in light of these new experimental results is reviewed for the case of metals. Examples are given how the growth kinetics can be employed to create well-defined island morphologies and island arrays in a self-organization process.

The physical and chemical properties of low-dimensional structures depend on their size and shape, and can be very different from those of bulk matter. If such structures have at least one dimension small enough that quantum-mechanical effects prevail, their behaviour can be particularly interesting. In this way, for example, magnetic nanostructures can be made from materials that are non-magnetic in bulk1, catalytic activity can emerge from traditionally inert elements such as gold2, and electronic behaviour useful for device technology can be developed3,4. The controlled fabrication of ordered metal and semiconductor nanostructures at surfaces remains, however, a difficult challenge. Here we describe the fabrication of highly ordered, two-dimensional nanostructure arrays through nucleation of deposited metal atoms on substrates with periodic patterns defined by dislocations that form to relieve strain. The strain-relief patterns are created spontaneously when a monolayer or two of one material is deposited on a substrate with a different lattice constant. Dislocations often repel adsorbed atoms diffusing over the surface, and so they can serve as templates for the confined nucleation of nanostructures from adatoms. We use this technique to prepare ordered arrays of silver and iron nanostructures on metal substrates.

THE formation of nanometre-scale surface structures by atomic manipulation with the scanning tunnelling microscope has opened up opportunities for creating new metastable states of matter atom by atom1. The technique allows the fabrication of arbitrary structures, but its application may be limited by considerations of speed, as only one nanostructure can be built at a time. Here we describe the simultaneous formation of many densely packed nanostructures of various morphologies using diffusion-controlled aggregation on surfaces. By exploiting the dependence of the mobility of adsorbed atoms on substrate crystal face and temperature, we are able to grow linear, two-dimensional or tenuous fractal aggregates of nanometre dimensions. The high number density (1011& minus;1014 cm& minus;2) of these structures means that their physical and chemical properties can be easily measured with conventional surface spectroscopies.

In the Kondo effect, a localized magnetic moment is screened by forming a correlated electron system with the surrounding conduction electrons of a non-magnetic host. Spin S=1/2 Kondo systems have been investigated extensively in theory and experiments, but magnetic atoms often have a larger spin. Larger spins are subject to the influence of magnetocrystalline anisotropy, which describes the dependence of the magnetic moment's energy on the orientation of the spin relative to its surrounding atomic environment. Here we demonstrate the decisive role of magnetic anisotropy in the physics of Kondo screening. A scanning tunnelling microscope is used to simultaneously determine the magnitude of the spin, the magnetic anisotropy and the Kondo properties of individual magnetic atoms on a surface. We find that a Kondo resonance emerges for large-spin atoms only when the magnetic anisotropy creates degenerate ground-state levels that are connected by the spin flip of a screening electron. The magnetic anisotropy also determines how the Kondo resonance evolves in a magnetic field: the resonance peak splits at rates that are strongly direction dependent. These rates are well described by the energies of the underlying unscreened spin states.

Maximizing atomic magnetic memory A study of the magnetic response of cobalt atoms adsorbed on oxide surfaces may lead to much denser storage of data. In hard drives, data are stored as magnetic bits; the magnetic field pointing up or down corresponds to storing a zero or a one. The smallest bit possible would be a single atom, but the magnetism of a single atom —its spin—has to be stabilized by interactions with heavy elements or surfaces through an effect called spin-orbit coupling. Rau et al. (see the Perspective by Khajetoorians and Wiebe) built a model system in pursuit of single-atom bits—cobalt atoms adsorbed on magnesium oxide. At temperatures approaching absolute zero, the stabilization of the spin's magnetic direction reached the maximum that is theoretically possible. Science , this issue p. 988 ; see also p. 976

We present a systematic study of metal−organic honeycomb lattices assembled from simple ditopic molecular bricks and Co atoms on Ag(111). This approach enables us to fabricate size- and shape-controlled open nanomeshes with pore dimensions up to 5.7 nm. The networks are thermally robust while extending over μm2 large areas as single domains. They are shape resistant in the presence of further deposited materials and represent templates to organize guest species and realize molecular rotary systems.

Stable magnets from single atoms An important goal in molecular magnetism is to create a permanent magnet from a single atom. Metal atoms adsorbed on surfaces can develop strong magnetization in an applied field (paramagnetism). Donati et al. show that single holmium atoms adsorbed on a magnesium oxide film grown on a silver substrate show residual magnetism for temperatures up to 30 K and bistabilty that lasts for 1500 s at 10 K (see the Perspective by Khajetoorians and Heinrich). The atom avoids spin relaxation by a combination of quantum-state symmetry and by the oxide film preventing the spin from interacting with the underlying metal via tunneling. Science , this issue p. 318 ; see also p. 296