MIT团队在晶体半导体材料中构筑超4万个量子缺陷

科学家首次实现单原子操控至今已有37年，当时这项突破让人类看到逐原子设计材料、定制材料特性的可能性。如今，已有多种技术能够让研究人员操控单个原子，赋予材料奇特的量子特性，同时加深人类对量子行为的认知。但现有技术仅能在材料表面做二维原子移动，且大多操作过程极其繁琐缓慢，还必须依赖高真空、超低温的实验室极端条件。

近日，麻省理工学院、美国能源部橡树岭国家实验室及多家机构的联合研究团队，研发出一种全新方法：可在室温环境下，短短数分钟内在材料内部精准操控数万个单个原子。该技术依托一套专属算法，将电子束精准定位到材料特定点位，再通过扫描电子束驱动原子发生位移。

麻省理工学院研究科学家Julian Klein是该项目的构思者与负责人，他表示：“研究成果证明，我们能够在材料的三维原子晶格中，可重复、确定性地操控原子。我们可以对材料进行重新编程，随心所欲制造量子缺陷，创造自然界不存在的全新物质人工态。这项技术应用前景广阔，可赋能传感、光学、磁学等诸多技术领域，蕴藏巨大发展机遇。”

麻省理工学院TDK材料科学与工程讲席教授Frances Ross表示：“这就像一台能批量复刻规整原子缺陷列的复印机。这项技术价值极高，只需移动少量原子就能形成缺陷，还可反复操作，在三维空间搭建原子排布结构。由于缺陷生成在材料表层以下，整套体系稳定性更强，还能实现功能可调。”

麻省理工学院研究科学家Julian Klein表示，该研究已实现在材料三维原子晶格中确定性、重复性操控原子。研究团队还通过动画演示了原子的可控移动过程。

研究团队在《自然》期刊发表相关论文，详细介绍了这项技术原理，并利用该方法在晶体半导体材料中成功构筑超4万个量子缺陷。研究人员表示，该技术为探究材料量子行为提供了全新路径，未来还有望推动量子计算机、高密度磁性存储器、原子级逻辑器件等依托量子缺陷的硬件系统实现升级突破。

重塑物质设计方式

1989年IBM完成了一项经典里程碑实验：研究人员利用扫描隧道显微镜，在低温晶体表面排布35个原子拼出“IBM”字样。这是人类首次实现原子精准定位，具有划时代意义。依托这项技术，科学家得以人工构建晶体材料中的特定缺陷，比如原子空位、表面单原子结构，极大推动了量子科学的发展。但当年排布这35个原子，研究人员耗费了数小时乃至数日之久。

伴随这项技术发展，科研界还衍生出另外两种真空原子操控手段：利用光镊捕获中性原子，以及利用振荡电场捕获离子。

尽管上述技术均取得长足进展，但始终受限：要么只能作用于材料表面，要么依赖高度受控的实验环境。除此之外，量子计算机等应用的材料设计还面临一大瓶颈——现有原子操控技术无法实现三维原子排布。所有原子图案都只能制备在材料表面，易受外界环境干扰，无法脱离严苛实验室条件稳定存在。

想要研发具备定制量子特性、可实际应用的功能材料，就必须实现大规模原子重排，且最好能在材料内部完成。麻省理工学院团队在本次《自然》研究中，成功实现了这一能力。

Frances Ross解释道：“我们一直希望在合理时间内，大幅提升可操控原子的数量。理想状态是让原子近距离排布、产生相互作用，并按照设计精准排布成千上万甚至数百万个原子。而现有技术一直难以实现这一点。”

本次研究依托美国能源部橡树岭国家实验室的高性能显微镜开展。新技术通过一套精密算法，将电子束以皮米级（万亿分之一米）精度瞄准目标原子；电子束先通过小范围环形扫描锁定目标，再沿精心设计的振荡路径穿透材料，在每个点位停留约一秒钟。

Julian Klein解释：“我们开发的算法能快速获取电子束在材料内部的位置信息。核心关键是在探测过程中使用极少量电子，既保证操作速度，又不会意外损伤晶体结构。我们耗费多年研发算法，只为以最低信息损耗、最高精度锁定原子位置。”

电子束在输运电子时，会沿着研究人员设计的振荡路径移动，如同手机滑动屏幕一般，推动整列原子迁移至新位置。实验中，团队选用厚度约13纳米的硫化溴化铬稳定半导体晶体，操控内部铬原子列实现定向位移。电子束在材料中制造出原子级空位，每个空位均伴随原子位移，经测算，这种结构能让晶体具备奇特的量子特性。

为验证技术规模化能力，研究团队在约40分钟内构建出超4万个缺陷，在不同间距、不同排布下生成原子空位与间隙原子。测算显示，不同的原子排布结构会产生差异化的量子力学特性。

Frances Ross表示：“每一处量子缺陷都会与周边结构产生特定相互作用。按照特定图案排布缺陷，本质上可以模拟分子内部电子的相互作用，相当于把分子的整体电子结构，映射写入固态材料的原子排布图案中。”

探索量子体系新维度

硫化铬半导体独特的电子结构与铬元素的成键特性，为本次技术落地提供了有利条件。研究团队正持续验证该技术在其他晶体材料中的适用性，初步判断可适配大范围材料体系。

在适配材料中，这项新技术相比传统方法具备多重优势。Julian Klein指出：“在固体内部操控原子，可制备出能在真空外、常温空气中稳定存在的材料量子特性。同时该技术支持规模化原子操控，未来可排布数万乃至数百万原子构筑人工结构，催生全新物理现象，这也是我们重点研究的方向。”

研究人员称，该技术为可编程物质新领域奠定基础，有望助力研发各类高稳定性量子器件。

Frances Ross表示：“借助这项技术，我们能够实现大量原子按指定规则排布，解锁自组装工艺无法实现的物理效应。可定制化构筑海量原子排列结构，在数十至数百纳米尺度上实现精准设计，催生值得深入探索的集体物理效应。”