工程的最終控制程度將是在最基本層次上創造和操縱材料的能力，精確控制一個原子一個原子地製造設備。現在，麻省理工學院(MIT)、維也納大學(University of Vienna)和其他幾家機構的科學家已經朝這個方向邁出了一步，他們開發了一種方法，可以用高度聚焦的電子束重新定位原子，並控制它們的確切位置和成鍵方向。這一發現可能最終促使製造量子計算設備或感測器的新方法，並開啟一個「原子工程」的新時代。

麻省理工學院核科學與工程教授李巨立、研究生聰蘇、維也納大學湯瑪蘇西教授以及麻省理工學院、維也納大學、橡樹嶺國家實驗室以及中國、厄瓜多和丹麥的其他13位科學家在《科學進展》期刊上發表了一篇論文，介紹了這一進展。使用納米技術的很多工具，在這項新的研究中，這些工具被用來控制那些比原來小一個數量級的過程。目標是控制一到幾百個原子，控制它們的位置，控制它們的電荷態，控制它們的電子和核自旋態。

雖然之前也有人操縱過單個原子的位置，甚至在表面上創造出一個整齊的原子圈，但這個過程涉及到在掃描隧道顯微鏡針尖上拾起單個原子，然後把它們放回原位，這是一個相對緩慢的機械過程。這種新工藝利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)中的相對論電子束操縱原子，因此它可以完全由磁透鏡進行電子控制，不需要機械運動部件。這使得該過程潛在地更快，因此可能導致實際應用。利用電子控制和人工智慧，最終可以在微秒級的時間尺度上操縱原子。這比我們現在用機械探測器操縱它們的速度快了好幾個數量級。

石墨烯中相互競爭實驗P摻雜動力學及其控制的說明，該框架為中角環形暗場圖像，通過電子能量損失譜(EELS)確定了各摻雜劑的化學性質。圖片：Science Advances

而且，在同一塊材料上同時工作多個電子束應該是可能的，這是一個令人興奮的原子操作新範例。計算機晶元通常是由硅晶體與其他原子「摻雜」而成，這些原子需要賦予特定的電性能，從而在材料區域產生「缺陷」，無法保持硅晶體結構的完美有序。但這個過程是分散的，所以沒有辦法以原子精度控制摻雜原子的去向，新系統能精確定位。同樣的電子束可以用來把一個原子從一個位置撞到另一個位置，然後「讀取」新的位置，以驗證原子最終到達了它應該到達的位置。雖然定位基本上是由概率決定，並不是100%準確，但確定實際位置的能力使我們能夠只選擇那些最終配置正確的位置。

原子足球

非常窄聚焦的電子束，大約一個原子那麼寬，能量會把一個原子撞出它的位置，通過選擇電子束的精確角度，研究人員可以確定它最有可能在哪裡結束。用光束擊穿原子，本質上是踢原子足球。就像足球一樣，它不是決定性的，但你可以控制概率。就像足球一樣，你總是在朝著目標前進。在團隊的實驗中，主要使用磷原子，一種常用的摻雜劑，在石墨烯片上，這是一種二維的碳原子片，呈蜂窩狀排列。

abMD計算石墨烯中P摻雜動力學機理，圖片：Science Advances

磷原子最終取代了部分碳原子，從而改變了材料的電子、光學和其他性質，如果這些原子的位置已知，這些性質是可以預測的。最終目標是以複雜的方式移動多個原子，利用電子束基本移動這些摻雜物，這樣我們就可以製造一個金字塔，或者一些缺陷複合體，在那裡我們可以精確地指出每個原子的位置。這是首次在石墨烯中操縱電子上不同的摻雜原子，雖然我們以前研究過硅雜質。

但磷的電性和磁性可能更有趣，但正如我們現在發現的，磷的行為方式也驚人地不同。每個元素都可能帶來新的驚喜和可能性。該系統要求精確控制光束的角度和能量，有時候，如果不小心，就會產生意想不到的結果。例如，有時候一個碳原子想要保持在「葉子」的位置，有時候磷原子被鎖定在晶格的位置，然後不管我們怎麼改變光束的角度，都不能影響它的位置，所以必須找到另一個球。

理論框架

除了對光束和石墨烯不同角度和位置的效應進行詳細實驗測試和觀察外，研究小組還設計了一個理論基礎來預測這種效應，即跟蹤「足球」動量的初級連鎖空間形式。做這些實驗，也為如何控制這一過程提供了一個理論框架。初始光束產生的級聯效應發生在多個時間尺度上，這使得觀測和分析難以進行。相對論性電子(以光速的45%左右運動)與原子的實際初始碰撞以秒為單位（十億分之一秒的萬億分之一）發生。

不同雜質元素動力學比較。圖片：Science Advances

但晶格中原子的運動和碰撞在皮秒或更長的時間尺度上展開，時間要長數十億倍。摻雜原子如磷具有非零的核自旋，這是量子器件所需要的一個關鍵特性，因為自旋狀態很容易受到環境元素如磁場的影響。因此，精確定位這些原子的能力，無論是位置還是鍵合，都可能是發展量子信息處理或感測設備的關鍵一步。

參考期刊《Science Advances》

DOI: 10.3389/feart.2019.00091

博科園｜科學、科技、科研、科普

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！