1989 年的秋天，好意思国海外商用机器公司（IBM）阿尔马登盘登第心的两位科学家用扫描纯正显微镜，将 35 个氙原子在一块冷却到接近完全零度的镍晶体名义上一颗颗股东，耗尽数日，拼出了“IBM”三个字母，这是东说念主类第一次精确操控单个原子。

37 年后，好意思国麻省理工学院（MIT）与橡树岭国度实验室（ORNL）的盘考团队开展配合，透彻改写了这项任务的着力和标准。一束高能电子在扫描透射电子显微镜的真空腔中划出奥妙的螺旋轨迹，每停留约一秒，晶体里面就有一列铬原子搬动到新的位置。

几十分钟之内，一块约 150 纳米见方、13 纳米厚的薄晶体里面，就被刻入了四万多个按预定图案摆设的原子颓势。它们组成了一种当然界从未存在过的“东说念主造晶体”，况且能在空气中、室温下踏实保存。这一着力 5 月 13 日刊登在《当然》（Nature）杂志上。

一项 37 年的未竟之事

1959 年 12 月，理查德·费曼（Richard Feynman）在加州理工学院（California Institute of Technology）举办的好意思国物理学会年会上抛出一个其时听来近乎科幻的设问：淌若咱们能一一操控原子，按瞎想图把它们摆起来，会取得什么样的材料？这场题为《下面还有开阔空间》（There's Plenty of Room at the Bottom）的演讲，成为纳米科技的办法泉源。

东说念主类简直运转操控原子的历史，则要追念至 1989 年的一项实验。其时，IBM 的唐纳德·艾格勒（Donald Eigler）和埃哈德·施魏策尔（Erhard Schweizer）借助扫描纯正显微镜的针尖，把单个原子在低温晶体名义挪移到指定位置，这项使命次年发表于《当然》，被视为纳米科技的里程碑。

尔后的三十余年，科学界延续发展出三类操控原子的主流妙技：用激光光镊俘获中性原子、用飘浮电场囚禁离子、以及扫描探针显微镜针尖对晶体名义原子的\"推拉\"。

这些标准在量子科学鸿沟催生了开阔打破：超冷原子量子模拟、囚禁离子量子比特、单原子存储、原子级东说念主工量子态……然则，现存技巧只可在材料名义进行二维摆设，原子一朝判辨在严格放手的实验环境除外，结构就难以防守；同期，每迁移一颗原子经常需要数十分钟乃至数小时，鸿沟化险些是奢求。

要思东说念主造原子结构变成简直能用的量子器件材料，单个原子必须能像乐高积木通常按瞎想图摆放，还要在材料里面摆设数不胜数，甚而上百万颗原子，使其相互围聚到大略互相作用的距离。

把电子显微镜反过来用

早在 1970 年代，科学家就不雅察到，电子束能激发原子位移。但此前，这种忻悦更多被视为电子显微成像中需要尽量侧主义发射损害。近十年来，一经有一些盘考思到操纵这一效应来操控原子，但永远未能兑现可重迭、可预定的精确摆放。

为了兑现这一材料科学家追赶近四十年的方针，MIT 盘考科学家朱利安·克莱因（Julian Klein）聚拢橡树岭国度实验室的凯文·罗卡普里奥雷（Kevin M. Roccapriore）团队，把蓝本用于不雅察的扫描透射电子显微镜（STEM），矫正为一台原子级的操作器用。

原子半径时常在 50 到 200 皮米（1 皮米为一万亿分之一米）之间，相邻原子的间距是数百皮米。每一颗电子皆既是探针亦然器用，落到样品上，就有一定概率把原子撞离原位，因此，用于成像定位的电子和用于操控的电子必须严格分账，保险电子束能踏实地打到方针原子上，又弗成让“找原子”的历程碎裂晶体，难度可思而知。

让这种政策简直变得可行的关节打破在于，团队拓荒了一套名为“自允洽锁定”（Adaptive Lock-On）的算法，能在不碎裂晶体结构的前提下，飞速判断电子束相对方针原子的精确位置，并以亚 20 皮米级别的精度将其锁定。

锁定之后，电子束不仅仅浅近地“扎”在原子上，它更接近于半导体光刻在硅片上书写电路图案，只不外，“曝光区”是单列原子，电子束成了“光源”，“刻蚀”发生在三维晶格的里面而非名义。整列铬原子就这么被一笔一笔地“写”到了新的位置上。

在硫溴化铬中现时四万个颓势

实验的“画布”是一种名为硫溴化铬（CrSBr）的层状磁性半导体晶体。这种材料是范德华层状磁体家眷中的一员，结构踏实，能在常随和空气中保抓磁性和半导体特色，这少许对后续应用至关挫折。朱利安与弗朗西斯的团队当年几年间一直在系统盘考这种材料的物性和颓势化学。

盘考者采用约莫 13 纳米厚、特殊于 16 个原子层堆叠的 CrSBr 晶体片，在橡树岭国度实验室纳米相材料科学中心的高端电子显微镜上开展实验。他们在一块 150 纳米×100 纳米×13 纳米的体积内，KPL投注官网刻出了向上 40，000 个按瞎想图案摆设的原子颓势，耗时仅需 40 分钟控制。

这些颓势的实质，是一个铬原子被电子束从蓝本的晶格位置推到了相邻的波折位，原位置留住一个空位，新位置多出一个填充原子，二者配对，就酿成了“空位-波折对”（vacancy-interstitial complex）。当开阔这么的颓势按规定图案排布时，就特殊于在主晶格中镶嵌出一种介不雅标准的东说念主造晶体，这亦然一种当然界并不存在的工程化新式物资。

更挫折的是，团队不仅把这种东说念主造晶体作念了出来，还摸清了让这一历程可预测的实验条款。通过跟踪每一个铬原子的位移轨迹，他们成就起一套不错重迭实施的使命流，可在不同距离、不同图案下批量生成颓势。

表面盘算娇傲，这些颓势会在电子结构层面酿成关联的杂质态，颓势里面存在光学跃迁，颓势之间则通过动能耦合和库仑互相作用互相疏通。淌若把它们按图案排好，实质上即是在模拟一个分子内电子之间的互相作用，而这种结构不错被提前“写”进固体材料里。

烽火原子铸造炉的第一把火

2024 岁首，哈佛大学团队主导拓荒的可重构中性原子阵列，一经能把多达 280 个原子拼装成具备纠错能力的逻辑量子处理器，但这些原子是悬浮在超高真空中的寂寞粒子，依赖激光抓续囚禁，无法脱离仪器存在；微软（Microsoft）2025 年 2 月公布的 Majorana 1 芯片聘请了另一条完全不同的旅途，他们用砷化铟与铝组成的半导体-超导异质结引导出马约拉纳零模，再用它构造拓扑保护的量子比特，现在兑现了 8 个量子比特鸿沟，但科学界对其马约拉纳态的确证尚存争议；金刚石中的氮空位（NV）色心则是另一类已老到近二十年的固态量子载体，被芜俚用作量子传感器和单光子源，但其位置一直是速即生成的，无法兑现定位遗弃。

比较之下，MIT 团队拓荒的这项技巧，第一次让“三维固体里面、按瞎想图、批量”的不可能三角成为可能。

固态量子比特鸿沟早已厚实到，“原子级精度的材料合成与颓势工程”是量子盘算硬件的中枢瓶颈之一。要思走向可推广的量子技巧，必须要照应“按瞎想位置遗弃颓势”的清贫。MIT 团队此次展示的，恰是一种可能的解法。

新技巧初次将电子束驱动原子的放手能力蔓延至三维晶体里面，标准也达到了介不雅量级。而且，正因为原子颓势被埋在晶体内，被周围的原子层保护着，其不错在常压、常温、空气环境下保抓踏实。这是从实验室原型走向实用器件的关节一步。

其次，着力兑现了飞跃。当年，摆几十个原子皆需要耗尽数小时到数天；如今，几十分钟就能摆放四万个原子。这是当年无法企及的实验鸿沟，也让盘考东说念主员有契机探索“开阔原子按特定方法摆设时的集体物理忻悦”。

朱利安示意，团队研发的技巧将为“可编程物资”奠定基础，畴昔有望提拔起一系列踏实的量子器件：详情味遗弃的色心（color center，被视为固态量子比特和量子传感器的中枢组件）、用于多体晶格模子的量子模拟器、原子级逻辑器件、高密度磁存储等。

米兰体育MILAN中国官网

不外，盘考东说念主员也指出，CrSBr 之是以好用，与铬原子在该半导体中独到的电子结构和成键形貌关联，他们对其他晶体材料的探索仍在起步阶段。而且，原子一朝被推到方针位置就嵌进了晶格，不像光镊那样不错往复重排。值得一提的是，团队一经为“自允洽锁定”和“单次锁定”算法等一系列技巧提交了两项好意思国专利恳求，现在关联代码尚未对外开源。

近四十年来，从低温摆设的原子字母，到光镊和离子阱构建的可编程原子阵列，再到如今用电子束在三维晶体里面写入四万多个颓势，东说念主类对物资最小单位的把控能力，正一步步把按瞎想制造材料推向工程试验。

2016 年，一篇发表在《当然》的有计划中，橡树岭国度实验室的盘考者萨吉夫·卡里宁（Sergei Kalinin）等东说念主建议了“烽火原子铸造炉”（Fire up the atom forge）的愿景，号召成就原子级的三维纳米制造平台。十年之后，这一瞻望终于有了实质性的发达：至少在硫溴化铬上，可编程物资不再近在面前。

参考内容：

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

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成