人類終于能批量操控原子，40分鐘刻入4萬個原子，常溫穩定可用

1989 年的秋天，美國國際商用機器公司（IBM）阿爾馬登研究中心的兩位科學家用掃描隧道顯微鏡，將 35 個氙原子在一塊冷卻到接近絕對零度的鎳晶體表面上一顆顆推動，耗費數日，拼出了“IBM”三個字母，這是人類第一次精準操控單個原子。

37 年后，美國麻省理工學院（MIT）與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究團隊開展合作，徹底改寫了這項任務的效率和尺度。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，晶體內部就有一列鉻原子挪動到新的位置。

幾十分鐘之內，一塊約 150 納米見方、13 納米厚的薄晶體內部，就被刻入了四萬多個按預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的“人造晶體”，并且能在空氣中、室溫下穩定保存。這一成果 5 月 13 日刊登在《自然》（Nature）雜志上。

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

一項 37 年的未竟之事

1959 年 12 月，理查德·費曼（Richard Feynman）在加州理工學院（California Institute of Technology）舉辦的美國物理學會年會上拋出一個當時聽來近乎科幻的設問：如果我們能逐個操控原子，按設計圖把它們擺起來，會得到什么樣的材料？這場題為《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。

人類真正開始操控原子的歷史，則要追溯至 1989 年的一項實驗。當時，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，把單個原子在低溫晶體表面挪移到指定位置，這項工作次年發表于《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出的“IBM”（來源：IBM）

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

這些方法在量子科學領域催生了大量突破：超冷原子量子模擬、囚禁離子量子比特、單原子存儲、原子級人工量子態……然而，現有技術只能在材料表面進行二維排列，原子一旦暴露在嚴格控制的實驗環境之外，結構就難以維持；同時，每移動一顆原子常常需要數十分鐘乃至數小時，規模化幾乎是奢望。

要想人造原子結構變成真正能用的量子器件材料，單個原子必須能像樂高積木一樣按設計圖擺放，還要在材料內部排列成千上萬，甚至上百萬顆原子，使其彼此靠近到能夠相互作用的距離。

把電子顯微鏡反過來用

早在 1970 年代，科學家就觀察到，電子束能引發原子位移。但此前，這種現象更多被視為電子顯微成像中需要盡量規避的輻射損傷。近十年來，已經有一些研究想到利用這一效應來操控原子，但始終未能實現可重復、可預定的精準擺放。

為了實現這一材料科學家追逐近四十年的目標，MIT 研究科學家朱利安·克萊因（Julian Klein）聯合橡樹嶺國家實驗室的凱文·羅卡普里奧雷（Kevin M. Roccapriore）團隊，把原本用于觀察的掃描透射電子顯微鏡（STEM），改造為一臺原子級的操作工具。

原子半徑通常在 50 到 200 皮米（1 皮米為一萬億分之一米）之間，相鄰原子的間距是數百皮米。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格分賬，保障電子束能穩定地打到目標原子上，又不能讓“找原子”的過程破壞晶體，難度可想而知。

讓這種策略真正變得可行的關鍵突破在于，團隊開發了一套名為“自適應鎖定”（Adaptive Lock-On）的算法，能在不破壞晶體結構的前提下，迅速判斷電子束相對目標原子的精確位置，并以亞 20 皮米級別的精度將其鎖定。

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

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

在硫溴化鉻中刻下四萬個缺陷

實驗的“畫布”是一種名為硫溴化鉻（CrSBr）的層狀磁性半導體晶體。這種材料是范德華層狀磁體家族中的一員，結構穩定，能在常溫和空氣中保持磁性和半導體特性，這一點對后續應用至關重要。朱利安與弗朗西斯的團隊過去幾年間一直在系統研究這種材料的物性和缺陷化學。

研究者選用大約 13 納米厚、相當于 16 個原子層堆疊的 CrSBr 晶體片，在橡樹嶺國家實驗室納米相材料科學中心的高端電子顯微鏡上開展實驗。他們在一塊 150 納米×100 納米×13 納米的體積內，刻出了超過 40,000 個按設計圖案排列的原子缺陷，耗時僅需 40 分鐘左右。

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

這些缺陷的本質，是一個鉻原子被電子束從原本的晶格位置推到了相鄰的間隙位，原位置留下一個空位，新位置多出一個填充原子，二者配對，就形成了“空位-間隙對”（vacancy-interstitial complex）。當大量這樣的缺陷按規則圖案排布時，就相當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。

更重要的是，團隊不僅把這種人造晶體做了出來，還摸清了讓這一過程可預測的實驗條件。通過追蹤每一個鉻原子的位移軌跡，他們建立起一套可以重復執行的工作流，可在不同距離、不同圖案下批量生成缺陷。

理論計算顯示，這些缺陷會在電子結構層面形成關聯的雜質態，缺陷內部存在光學躍遷，缺陷之間則通過動能耦合和庫侖相互作用相互溝通。如果把它們按圖案排好，本質上就是在模擬一個分子內電子之間的相互作用，而這種結構可以被提前“寫”進固體材料里。

點燃原子鍛造爐的第一把火

2024 年初，哈佛大學團隊主導開發的可重構中性原子陣列，已經能把多達 280 個原子組裝成具備糾錯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，依賴激光持續囚禁，無法脫離儀器存在；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成的半導體-超導異質結誘導出馬約拉納零模，再用它構造拓撲保護的量子比特，目前實現了 8 個量子比特規模，但科學界對其馬約拉納態的確證尚存爭議；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生成的，無法實現定位放置。

相比之下，MIT 團隊開發的這項技術，第一次讓“三維固體內部、按設計圖、批量”的不可能三角成為可能。

固態量子比特領域早已意識到，“原子級精度的材料合成與缺陷工程”是量子計算硬件的核心瓶頸之一。要想走向可擴展的量子技術，必須要解決“按設計位置放置缺陷”的難題。MIT 團隊這次展示的，正是一種可能的解法。

新技術首次將電子束驅動原子的控制能力延伸至三維晶體內部，尺度也達到了介觀量級。而且，正因為原子缺陷被埋在晶體內，被周圍的原子層保護著，其可以在常壓、常溫、空氣環境下保持穩定。這是從實驗室原型走向實用器件的關鍵一步。

其次，效率實現了飛躍。過去，擺幾十個原子都需要耗費數小時到數天；如今，幾十分鐘就能擺放四萬個原子。這是過去無法企及的實驗規模，也讓研究人員有機會探索“大量原子按特定模式排列時的集體物理現象”。

朱利安表示，團隊研發的技術將為“可編程物質”奠定基礎，未來有望支撐起一系列穩定的量子器件：確定性放置的色心（color center，被視為固態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、原子級邏輯器件、高密度磁存儲等。

不過，研究人員也指出，CrSBr 之所以好用，與鉻原子在該半導體中獨特的電子結構和成鍵方式有關，他們對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位置就嵌進了晶格，不像光鑷那樣可以來回重排。值得一提的是，團隊已經為“自適應鎖定”和“單次鎖定”算法等一系列技術提交了兩項美國專利申請，目前相關代碼尚未對外開源。

近四十年來，從低溫排列的原子字母，到光鑷和離子阱構建的可編程原子陣列，再到如今用電子束在三維晶體內部寫入四萬多個缺陷，人類對物質最小單元的把控能力，正一步步把按設計制造材料推向工程現實。

（來源：https://www.nature.com/articles/539485a）

2016 年，一篇發表在《自然》的評論中，橡樹嶺國家實驗室的研究者薩吉夫·卡里寧（Sergei Kalinin）等人提出了“點燃原子鍛造爐”（Fire up the atom forge）的愿景，呼吁建立原子級的三維納米制造平臺。十年之后，這一展望終于有了實質性的進展：至少在硫溴化鉻上，可編程物質不再遙不可及。

參考內容：

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

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成