1989 年的秋天，好意思国海外商用机器公司（IBM）阿尔马登探求中心的两位科学家用扫描纯碎显微镜，将 35 个氙原子在一块冷却到接近弥散零度的镍晶体名义上一颗颗推进，消耗数日，拼出了“IBM”三个字母，这是东谈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）的探求团队开展妥洽，绝对改写了这项任务的遵循和秩序。一束高能电子在扫描透射电子显微镜的真空腔中划出狡饰的螺旋轨迹，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胪列的原子颓势。它们组成了一种当然界从未存在过的“东谈主造晶体”，而况能在空气中、室温下踏实保存。这一效果 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：要是咱们能逐一操控原子，按想象图把它们摆起来，会获取什么样的材料？这场题为《下面还有无数空间》（There's Plenty of Room at the Bottom）的演讲，成为纳米科技的倡导起源。

东谈主类着实运转操控原子的历史，则要追思至 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）借助扫描纯碎显微镜的针尖，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。

而后的三十余年，科学界连接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、用震动电场囚禁离子、以及扫描探针显微镜针尖对晶体名义原子的\"推拉\"。

这些设施在量子科学边界催生了无数破裂：超冷原子量子模拟、囚禁离子量子比特、单原子存储、原子级东谈主工量子态……但是，现存时间只可在材料名义进行二维胪列，原子一朝自大在严格扫尾的实验环境除外，结构就难以守护；同期，每搬动一颗原子时常需要数十分钟乃至数小时，范围化简直是奢想。

要思东谈主造原子结构变成着实能用的量子器件材料，单个原子必须能像乐高积木通常按想象图摆放，还要在材料里面胪列千千万万，甚而上百万颗原子，使其相互围聚到大要互相作用的距离。

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，这种时事更多被视为电子显微成像中需要尽量遁入的辐照挫伤。近十年来，一经有一些探求思到运用这一效应来操控原子，但长久未能达成可近似、可预定的精确摆放。

为了达成这一材料科学家追赶近四十年的想象，MIT 探求科学家朱利安·克莱因（Julian Klein）集结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用具。

原子半径频繁在 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。每一颗电子齐既是探针亦然用具，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，保险电子束能踏实地打到想象原子上，又不可让“找原子”的进程破裂晶体，难度可思而知。

让这种战术着实变得可行的要道破裂在于，团队诱骗了一套名为“自相宜锁定”（Adaptive Lock-On）的算法，能在不破裂晶体结构的前提下，赶快判断电子束相对想象原子的精确位置，并以亚 20 皮米级别的精度将其锁定。

锁定之后，电子束不仅仅简短地“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，能在常关注空气中保握磁性和半导体特点，这少量对后续应用至关热切。朱利安与弗朗西斯的团队曩昔几年间一直在系统探求这种材料的物性和颓势化学。

探求者遴选大致 13 纳米厚、十分于 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，银河国际游戏平台官网刻出了跨越 40，000 个按想象图案胪列的原子颓势，耗时仅需 40 分钟阁下。

这些颓势的本色，是一个铬原子被电子束从蓝本的晶格位置推到了相邻的弱点位，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-弱点对”（vacancy-interstitial complex）。当无数这么的颓势按限定图案排布时，就十分于在主晶格中镶嵌出一种介不雅秩序的东谈主造晶体，这亦然一种当然界并不存在的工程化新式物资。

更热切的是，团队不仅把这种东谈主造晶体作念了出来，还摸清了让这一进程可预测的实验条目。通过跟踪每一个铬原子的位移轨迹，他们修复起一套不错近似扩充的使命流，可在不同距离、不同图案下批量生成颓势。

表面狡计自大，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相易。要是把它们按图案排好，本色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。

点火原子铸造炉的第一把火

2024 岁首，哈佛大学团队主导诱骗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才智的逻辑量子处理器，但这些原子是悬浮在超高真空中的孤单粒子，依赖激光握续囚禁，无法脱离仪器存在；微软（Microsoft）2025 年 2 月公布的 Majorana 1 芯片领受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，现在达成了 8 个量子比特范围，但科学界对其马约拉纳态简直证尚存争议；金刚石中的氮空位（NV）色心则是另一类已熟习近二十年的固态量子载体，被无为用作量子传感器和单光子源，但其位置一直是速即生成的，无法达成定位摈弃。

比较之下，MIT 团队诱骗的这项时间，第一次让“三维固体里面、按想象图、批量”的不可能三角成为可能。

固态量子比特边界早已意志到，“原子级精度的材料合成与颓势工程”是量子狡计硬件的中枢瓶颈之一。要思走向可推广的量子时间，必须要不休“按想象位置摈弃颓势”的勤奋。MIT 团队此次展示的，恰是一种可能的解法。

新时间初度将电子束驱动原子的扫尾才智延长至三维晶体里面，秩序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、空气环境下保握踏实。这是从实验室原型走向实用器件的要道一步。

其次，遵循达成了飞跃。曩昔，摆几十个原子齐需要消耗数小时到数天；如今，几十分钟就能摆放四万个原子。这是曩昔无法企及的实验范围，也让探求东谈主员有契机探索“无数原子按特定方法胪列时的集体物理时事”。

朱利安默示，团队研发的时间将为“可编程物资”奠定基础，改日有望复旧起一系列踏实的量子器件：笃定性摈弃的色心（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。

不外，探求东谈主员也指出，CrSBr 之是以好用，与铬原子在该半导体中专有的电子结构和成键边幅关系，他们对其他晶体材料的探索仍在起步阶段。而且，原子一朝被推到想象位置就嵌进了晶格，不像光镊那样不错来往重排。值得一提的是，团队一经为“自相宜锁定”和“单次锁定”算法等一系列时间提交了两项好意思国专利苦求，现在联系代码尚未对外开源。

近四十年来，从低温胪列的原子字母，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里面写入四万多个颓势，东谈主类对物资最小单位的把控才智，正一步步把按想象制造材料推向工程试验。

2016 年，一篇发表在《当然》的批驳中，橡树岭国度实验室的探求者萨吉夫·卡里宁（Sergei Kalinin）等东谈主提倡了“点火原子铸造炉”（Fire up the atom forge）的愿景，命令修复原子级的三维纳米制造平台。十年之后，这一推测终于有了实质性的发达：至少在硫溴化铬上，可编程物资不再驴年马月。

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 补助生成