人類終于能批量操控原子，40分鐘刻入4萬(wàn)個(gè)原子，常溫穩(wěn)定可用

1989 年的秋天，美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）阿爾馬登研究中心的兩位科學(xué)家用掃描隧道顯微鏡，將 35 個(gè)氙原子在一塊冷卻到接近絕對(duì)零度的鎳晶體表面上一顆顆推動(dòng)，耗費(fèi)數(shù)日，拼出了“IBM”三個(gè)字母，這是人類第一次精準(zhǔn)操控單個(gè)原子。

37 年后，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，徹底改寫(xiě)了這項(xiàng)任務(wù)的效率和尺度。一束高能電子在掃描透射電子顯微鏡的真空腔中劃出微妙的螺旋軌跡，每停留約一秒，晶體內(nèi)部就有一列鉻原子挪動(dòng)到新的位置。

幾十分鐘之內(nèi)，一塊約 150 納米見(jiàn)方、13 納米厚的薄晶體內(nèi)部，就被刻入了四萬(wàn)多個(gè)按預(yù)定圖案排列的原子缺陷。它們組成了一種自然界從未存在過(guò)的“人造晶體”，并且能在空氣中、室溫下穩(wěn)定保存。這一成果 5 月 13 日刊登在《自然》（Nature）雜志上。

圖 | 使用 CrSBr 構(gòu)建的人造晶體（https://www.nature.com/arti）

一項(xiàng) 37 年的未竟之事

1959 年 12 月，理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上拋出一個(gè)當(dāng)時(shí)聽(tīng)來(lái)近乎科幻的設(shè)問(wèn)：如果我們能逐個(gè)操控原子，按設(shè)計(jì)圖把它們擺起來(lái)，會(huì)得到什么樣的材料？這場(chǎng)題為《底下還有大量空間》（There's Plenty of Room at the Bottom）的演講，成為納米科技的概念源頭。

人類真正開(kāi)始操控原子的歷史，則要追溯至 1989 年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，IBM 的唐納德·艾格勒（Donald Eigler）和埃哈德·施魏策爾（Erhard Schweizer）借助掃描隧道顯微鏡的針尖，把單個(gè)原子在低溫晶體表面挪移到指定位置，這項(xiàng)工作次年發(fā)表于《自然》，被視為納米科技的里程碑。

圖 | 唐納德·艾格勒和他用氙原子寫(xiě)出的“IBM”（來(lái)源：IBM）

此后的三十余年，科學(xué)界陸續(xù)發(fā)展出三類操控原子的主流手段：用激光光鑷俘獲中性原子、用振蕩電場(chǎng)囚禁離子、以及掃描探針顯微鏡針尖對(duì)晶體表面原子的"推拉"。

這些方法在量子科學(xué)領(lǐng)域催生了大量突破：超冷原子量子模擬、囚禁離子量子比特、單原子存儲(chǔ)、原子級(jí)人工量子態(tài)……然而，現(xiàn)有技術(shù)只能在材料表面進(jìn)行二維排列，原子一旦暴露在嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之外，結(jié)構(gòu)就難以維持；同時(shí)，每移動(dòng)一顆原子常常需要數(shù)十分鐘乃至數(shù)小時(shí)，規(guī)模化幾乎是奢望。

要想人造原子結(jié)構(gòu)變成真正能用的量子器件材料，單個(gè)原子必須能像樂(lè)高積木一樣按設(shè)計(jì)圖擺放，還要在材料內(nèi)部排列成千上萬(wàn)，甚至上百萬(wàn)顆原子，使其彼此靠近到能夠相互作用的距離。

把電子顯微鏡反過(guò)來(lái)用

早在 1970 年代，科學(xué)家就觀察到，電子束能引發(fā)原子位移。但此前，這種現(xiàn)象更多被視為電子顯微成像中需要盡量規(guī)避的輻射損傷。近十年來(lái)，已經(jīng)有一些研究想到利用這一效應(yīng)來(lái)操控原子，但始終未能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、可預(yù)定的精準(zhǔn)擺放。

為了實(shí)現(xiàn)這一材料科學(xué)家追逐近四十年的目標(biāo)，MIT 研究科學(xué)家朱利安·克萊因（Julian Klein）聯(lián)合橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的凱文·羅卡普里奧雷（Kevin M. Roccapriore）團(tuán)隊(duì)，把原本用于觀察的掃描透射電子顯微鏡（STEM），改造為一臺(tái)原子級(jí)的操作工具。

原子半徑通常在 50 到 200 皮米（1 皮米為一萬(wàn)億分之一米）之間，相鄰原子的間距是數(shù)百皮米。每一顆電子都既是探針也是工具，落到樣品上，就有一定概率把原子撞離原位，因此，用于成像定位的電子和用于操控的電子必須嚴(yán)格分賬，保障電子束能穩(wěn)定地打到目標(biāo)原子上，又不能讓“找原子”的過(guò)程破壞晶體，難度可想而知。

讓這種策略真正變得可行的關(guān)鍵突破在于，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套名為“自適應(yīng)鎖定”（Adaptive Lock-On）的算法，能在不破壞晶體結(jié)構(gòu)的前提下，迅速判斷電子束相對(duì)目標(biāo)原子的精確位置，并以亞 20 皮米級(jí)別的精度將其鎖定。

鎖定之后，電子束不只是簡(jiǎn)單地“扎”在原子上，它更接近于半導(dǎo)體光刻在硅片上書(shū)寫(xiě)電路圖案，只不過(guò)，“曝光區(qū)”是單列原子，電子束成了“光源”，“刻蝕”發(fā)生在三維晶格的內(nèi)部而非表面。整列鉻原子就這樣被一筆一筆地“寫(xiě)”到了新的位置上。

圖 | 多向 Cr 原子引導(dǎo)（https://www.nature.com/articles/s415）

在硫溴化鉻中刻下四萬(wàn)個(gè)缺陷

實(shí)驗(yàn)的“畫(huà)布”是一種名為硫溴化鉻（CrSBr）的層狀磁性半導(dǎo)體晶體。這種材料是范德華層狀磁體家族中的一員，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能在常溫和空氣中保持磁性和半導(dǎo)體特性，這一點(diǎn)對(duì)后續(xù)應(yīng)用至關(guān)重要。朱利安與弗朗西斯的團(tuán)隊(duì)過(guò)去幾年間一直在系統(tǒng)研究這種材料的物性和缺陷化學(xué)。

研究者選用大約 13 納米厚、相當(dāng)于 16 個(gè)原子層堆疊的 CrSBr 晶體片，在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米相材料科學(xué)中心的高端電子顯微鏡上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谝粔K 150 納米×100 納米×13 納米的體積內(nèi)，刻出了超過(guò) 40,000 個(gè)按設(shè)計(jì)圖案排列的原子缺陷，耗時(shí)僅需 40 分鐘左右。

圖 | 三維中觀缺陷晶體（來(lái)源：https://www.nature.com/article）

這些缺陷的本質(zhì)，是一個(gè)鉻原子被電子束從原本的晶格位置推到了相鄰的間隙位，原位置留下一個(gè)空位，新位置多出一個(gè)填充原子，二者配對(duì)，就形成了“空位-間隙對(duì)”（vacancy-interstitial complex）。當(dāng)大量這樣的缺陷按規(guī)則圖案排布時(shí)，就相當(dāng)于在主晶格中嵌入出一種介觀尺度的人造晶體，這也是一種自然界并不存在的工程化新型物質(zhì)。

更重要的是，團(tuán)隊(duì)不僅把這種人造晶體做了出來(lái)，還摸清了讓這一過(guò)程可預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)追蹤每一個(gè)鉻原子的位移軌跡，他們建立起一套可以重復(fù)執(zhí)行的工作流，可在不同距離、不同圖案下批量生成缺陷。

理論計(jì)算顯示，這些缺陷會(huì)在電子結(jié)構(gòu)層面形成關(guān)聯(lián)的雜質(zhì)態(tài)，缺陷內(nèi)部存在光學(xué)躍遷，缺陷之間則通過(guò)動(dòng)能耦合和庫(kù)侖相互作用相互溝通。如果把它們按圖案排好，本質(zhì)上就是在模擬一個(gè)分子內(nèi)電子之間的相互作用，而這種結(jié)構(gòu)可以被提前“寫(xiě)”進(jìn)固體材料里。

點(diǎn)燃原子鍛造爐的第一把火

2024 年初，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的可重構(gòu)中性原子陣列，已經(jīng)能把多達(dá) 280 個(gè)原子組裝成具備糾錯(cuò)能力的邏輯量子處理器，但這些原子是懸浮在超高真空中的孤立粒子，依賴激光持續(xù)囚禁，無(wú)法脫離儀器存在；微軟（Microsoft）2025 年 2 月公布的 Majorana 1 芯片選擇了另一條完全不同的路徑，他們用砷化銦與鋁構(gòu)成的半導(dǎo)體-超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)誘導(dǎo)出馬約拉納零模，再用它構(gòu)造拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子比特，目前實(shí)現(xiàn)了 8 個(gè)量子比特規(guī)模，但科學(xué)界對(duì)其馬約拉納態(tài)的確證尚存爭(zhēng)議；金剛石中的氮空位（NV）色心則是另一類已成熟近二十年的固態(tài)量子載體，被廣泛用作量子傳感器和單光子源，但其位置一直是隨機(jī)生成的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位放置。

相比之下，MIT 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，第一次讓“三維固體內(nèi)部、按設(shè)計(jì)圖、批量”的不可能三角成為可能。

固態(tài)量子比特領(lǐng)域早已意識(shí)到，“原子級(jí)精度的材料合成與缺陷工程”是量子計(jì)算硬件的核心瓶頸之一。要想走向可擴(kuò)展的量子技術(shù)，必須要解決“按設(shè)計(jì)位置放置缺陷”的難題。MIT 團(tuán)隊(duì)這次展示的，正是一種可能的解法。

新技術(shù)首次將電子束驅(qū)動(dòng)原子的控制能力延伸至三維晶體內(nèi)部，尺度也達(dá)到了介觀量級(jí)。而且，正因?yàn)樵尤毕荼宦裨诰w內(nèi)，被周?chē)脑訉颖Ｗo(hù)著，其可以在常壓、常溫、空氣環(huán)境下保持穩(wěn)定。這是從實(shí)驗(yàn)室原型走向?qū)嵱闷骷年P(guān)鍵一步。

其次，效率實(shí)現(xiàn)了飛躍。過(guò)去，擺幾十個(gè)原子都需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)到數(shù)天；如今，幾十分鐘就能擺放四萬(wàn)個(gè)原子。這是過(guò)去無(wú)法企及的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，也讓研究人員有機(jī)會(huì)探索“大量原子按特定模式排列時(shí)的集體物理現(xiàn)象”。

朱利安表示，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的技術(shù)將為“可編程物質(zhì)”奠定基礎(chǔ)，未來(lái)有望支撐起一系列穩(wěn)定的量子器件：確定性放置的色心（color center，被視為固態(tài)量子比特和量子傳感器的核心組件）、用于多體晶格模型的量子模擬器、原子級(jí)邏輯器件、高密度磁存儲(chǔ)等。

不過(guò)，研究人員也指出，CrSBr 之所以好用，與鉻原子在該半導(dǎo)體中獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和成鍵方式有關(guān)，他們對(duì)其他晶體材料的探索仍在起步階段。而且，原子一旦被推到目標(biāo)位置就嵌進(jìn)了晶格，不像光鑷那樣可以來(lái)回重排。值得一提的是，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為“自適應(yīng)鎖定”和“單次鎖定”算法等一系列技術(shù)提交了兩項(xiàng)美國(guó)專利申請(qǐng)，目前相關(guān)代碼尚未對(duì)外開(kāi)源。

近四十年來(lái)，從低溫排列的原子字母，到光鑷和離子阱構(gòu)建的可編程原子陣列，再到如今用電子束在三維晶體內(nèi)部寫(xiě)入四萬(wàn)多個(gè)缺陷，人類對(duì)物質(zhì)最小單元的把控能力，正一步步把按設(shè)計(jì)制造材料推向工程現(xiàn)實(shí)。

（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/539485a）

2016 年，一篇發(fā)表在《自然》的評(píng)論中，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者薩吉夫·卡里寧（Sergei Kalinin）等人提出了“點(diǎn)燃原子鍛造爐”（Fire up the atom forge）的愿景，呼吁建立原子級(jí)的三維納米制造平臺(tái)。十年之后，這一展望終于有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展：至少在硫溴化鉻上，可編程物質(zhì)不再遙不可及。

參考內(nèi)容：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10431-9

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成