人类终于能批量操控原子，40分钟刻入4万个原子，常温稳定可用

1989 年的秋天，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心的两位科学家用扫描隧道显微镜，将 35 个氙原子在一块冷却到接近绝对零度的镍晶体表面上一颗颗推动，耗费数日，拼出了“IBM”三个字母，这是人类第一次精准操控单个原子。

37 年后，美国麻省理工学院（MIT）与橡树岭国家实验室（ORNL）的研究团队开展合作，彻底改写了这项任务的效率和尺度。一束高能电子在扫描透射电子显微镜的真空腔中划出微妙的螺旋轨迹，每停留约一秒，晶体内部就有一列铬原子挪动到新的位置。

几十分钟之内，一块约 150 纳米见方、13 纳米厚的薄晶体内部，就被刻入了四万多个按预定图案排列的原子缺陷。它们组成了一种自然界从未存在过的“人造晶体”，并且能在空气中、室温下稳定保存。这一成果 5 月 13 日刊登在《自然》（Nature）杂志上。

图 | 使用 CrSBr 构建的人造晶体（https://www.nature.com/arti）

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）举办的美国物理学会年会上抛出一个当时听来近乎科幻的设问：如果我们能逐个操控原子，按设计图把它们摆起来，会得到什么样的材料？这场题为《底下还有大量空间》（There's Plenty of Room at the Bottom）的演讲，成为纳米科技的概念源头。

人类真正开始操控原子的历史，则要追溯至 1989 年的一项实验。当时，IBM 的唐纳德·艾格勒（Donald Eigler）和埃哈德·施魏策尔（Erhard Schweizer）借助扫描隧道显微镜的针尖，把单个原子在低温晶体表面挪移到指定位置，这项工作次年发表于《自然》，被视为纳米科技的里程碑。

图 | 唐纳德·艾格勒和他用氙原子写出的“IBM”（来源：IBM）

此后的三十余年，科学界陆续发展出三类操控原子的主流手段：用激光光镊俘获中性原子、用振荡电场囚禁离子、以及扫描探针显微镜针尖对晶体表面原子的"推拉"。

这些方法在量子科学领域催生了大量突破：超冷原子量子模拟、囚禁离子量子比特、单原子存储、原子级人工量子态……然而，现有技术只能在材料表面进行二维排列，原子一旦暴露在严格控制的实验环境之外，结构就难以维持；同时，每移动一颗原子常常需要数十分钟乃至数小时，规模化几乎是奢望。

要想人造原子结构变成真正能用的量子器件材料，单个原子必须能像乐高积木一样按设计图摆放，还要在材料内部排列成千上万，甚至上百万颗原子，使其彼此靠近到能够相互作用的距离。

把电子显微镜反过来用

早在 1970 年代，科学家就观察到，电子束能引发原子位移。但此前，这种现象更多被视为电子显微成像中需要尽量规避的辐射损伤。近十年来，已经有一些研究想到利用这一效应来操控原子，但始终未能实现可重复、可预定的精准摆放。

为了实现这一材料科学家追逐近四十年的目标，MIT 研究科学家朱利安·克莱因（Julian Klein）联合橡树岭国家实验室的凯文·罗卡普里奥雷（Kevin M. Roccapriore）团队，把原本用于观察的扫描透射电子显微镜（STEM），改造为一台原子级的操作工具。

原子半径通常在 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。每一颗电子都既是探针也是工具，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，保障电子束能稳定地打到目标原子上，又不能让“找原子”的过程破坏晶体，难度可想而知。

让这种策略真正变得可行的关键突破在于，团队开发了一套名为“自适应锁定”（Adaptive Lock-On）的算法，能在不破坏晶体结构的前提下，迅速判断电子束相对目标原子的精确位置，并以亚 20 皮米级别的精度将其锁定。

锁定之后，电子束不只是简单地“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，只不过，“曝光区”是单列原子，电子束成了“光源”，“刻蚀”发生在三维晶格的内部而非表面。整列铬原子就这样被一笔一笔地“写”到了新的位置上。

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

在硫溴化铬中刻下四万个缺陷

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族中的一员，结构稳定，能在常温和空气中保持磁性和半导体特性，这一点对后续应用至关重要。朱利安与弗朗西斯的团队过去几年间一直在系统研究这种材料的物性和缺陷化学。

研究者选用大约 13 纳米厚、相当于 16 个原子层堆叠的 CrSBr 晶体片，在橡树岭国家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，刻出了超过 40,000 个按设计图案排列的原子缺陷，耗时仅需 40 分钟左右。

图 | 三维中观缺陷晶体（来源：https://www.nature.com/article）

这些缺陷的本质，是一个铬原子被电子束从原本的晶格位置推到了相邻的间隙位，原位置留下一个空位，新位置多出一个填充原子，二者配对，就形成了“空位-间隙对”（vacancy-interstitial complex）。当大量这样的缺陷按规则图案排布时，就相当于在主晶格中嵌入出一种介观尺度的人造晶体，这也是一种自然界并不存在的工程化新型物质。

更重要的是，团队不仅把这种人造晶体做了出来，还摸清了让这一过程可预测的实验条件。通过追踪每一个铬原子的位移轨迹，他们建立起一套可以重复执行的工作流，可在不同距离、不同图案下批量生成缺陷。

理论计算显示，这些缺陷会在电子结构层面形成关联的杂质态，缺陷内部存在光学跃迁，缺陷之间则通过动能耦合和库仑相互作用相互沟通。如果把它们按图案排好，本质上就是在模拟一个分子内电子之间的相互作用，而这种结构可以被提前“写”进固体材料里。

点燃原子锻造炉的第一把火

2024 年初，哈佛大学团队主导开发的可重构中性原子阵列，已经能把多达 280 个原子组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孤立粒子，依赖激光持续囚禁，无法脱离仪器存在；微软（Microsoft）2025 年 2 月公布的 Majorana 1 芯片选择了另一条完全不同的路径，他们用砷化铟与铝构成的半导体-超导异质结诱导出马约拉纳零模，再用它构造拓扑保护的量子比特，目前实现了 8 个量子比特规模，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）色心则是另一类已成熟近二十年的固态量子载体，被广泛用作量子传感器和单光子源，但其位置一直是随机生成的，无法实现定位放置。

相比之下，MIT 团队开发的这项技术，第一次让“三维固体内部、按设计图、批量”的不可能三角成为可能。

固态量子比特领域早已意识到，“原子级精度的材料合成与缺陷工程”是量子计算硬件的核心瓶颈之一。要想走向可扩展的量子技术，必须要解决“按设计位置放置缺陷”的难题。MIT 团队这次展示的，正是一种可能的解法。

新技术首次将电子束驱动原子的控制能力延伸至三维晶体内部，尺度也达到了介观量级。而且，正因为原子缺陷被埋在晶体内，被周围的原子层保护着，其可以在常压、常温、空气环境下保持稳定。这是从实验室原型走向实用器件的关键一步。

其次，效率实现了飞跃。过去，摆几十个原子都需要耗费数小时到数天；如今，几十分钟就能摆放四万个原子。这是过去无法企及的实验规模，也让研究人员有机会探索“大量原子按特定模式排列时的集体物理现象”。

朱利安表示，团队研发的技术将为“可编程物质”奠定基础，未来有望支撑起一系列稳定的量子器件：确定性放置的色心（color center，被视为固态量子比特和量子传感器的核心组件）、用于多体晶格模型的量子模拟器、原子级逻辑器件、高密度磁存储等。

不过，研究人员也指出，CrSBr 之所以好用，与铬原子在该半导体中独特的电子结构和成键方式有关，他们对其他晶体材料的探索仍在起步阶段。而且，原子一旦被推到目标位置就嵌进了晶格，不像光镊那样可以来回重排。值得一提的是，团队已经为“自适应锁定”和“单次锁定”算法等一系列技术提交了两项美国专利申请，目前相关代码尚未对外开源。

近四十年来，从低温排列的原子字母，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内部写入四万多个缺陷，人类对物质最小单元的把控能力，正一步步把按设计制造材料推向工程现实。

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

2016 年，一篇发表在《自然》的评论中，橡树岭国家实验室的研究者萨吉夫·卡里宁（Sergei Kalinin）等人提出了“点燃原子锻造炉”（Fire up the atom forge）的愿景，呼吁建立原子级的三维纳米制造平台。十年之后，这一展望终于有了实质性的进展：至少在硫溴化铬上，可编程物质不再遥不可及。

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