2026年5月13日——自科学家首次展示移动单个原子的能力，并提出原子级材料设计的可能性以来，已经过去了37年。如今，已有多种技术允许研究人员移动单个原子，以赋予材料奇异的量子特性，并增进该团队对量子行为的理解。

但现有技术只能在二维平面上移动材料表面的原子。大多数技术还需要极其缓慢的过程以及高真空、超低温的实验室条件。

现在，来自麻省理工学院（MIT）、美国能源部橡树岭国家实验室及其他机构的一个研究团队创建了一种方法，能够在室温下于几分钟内精确移动材料中数万个单个原子。该方法使用一组算法，将电子束精确地定位到材料的特定位置，然后扫描电子束以驱动原子运动。

“这些结果展示了在材料的三维原子晶格内重复、确定性地移动原子的能力，”领导并构思该项目的MIT研究科学家Julian Klein说。“该团队可以重新编程材料，按需制造缺陷，制造缺陷，实现自然界中不存在的完全人工物质状态，具有广泛的应用潜力，包括传感、光学和磁学技术。这些技术带来了许多机遇。”

“这就像一台可以创建相同原子缺陷列的复印机，”MIT材料科学与工程系TDK教授Frances Ross说。“它的特别之处在于，你可以移动少量原子形成缺陷，并反复操作，在三维空间中构建具有可调功能的原子排列，并且由于缺陷位于表面之下，整个系统更加稳定。”

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们的方法，以及如何利用该方法在一种晶体半导体材料中创建了超过4万个量子缺陷。

研究人员表示，该方法为研究材料中的量子行为提供了一种新途径。它也可能在未来推动利用量子缺陷的系统的改进，如量子计算机、高密度磁存储器、原子级逻辑器件等。

与Klein和Ross共同撰写该论文的还有：橡树岭国家实验室的研究人员Kevin Roccapriore和Andrew Lupini；MIT前访问学生Mads Weile Weile；前拉德堡德大学研究人员Sergii Grytsiuk；德国比勒费尔德大学教授Malte Rösner；捷克布拉格化工大学教授Zdenek Sofer；伦敦国王学院研究助理Dimitar Pashov；以及落基山国家实验室的研究人员Mark van Schilfgaarde和Swagata Acharya。

设计物质

在1989年一次著名的演示中，IBM研究人员使用扫描隧道显微镜，在冷冻晶体表面排列了35个原子，拼出了“IBM”。这是原子首次被精确定位，也是一个重要的里程碑。该方法使科学家能够工程化特定的缺陷，如晶体材料中的原子级空位和表面原子，从而推动了量子科学的重大进步。但放置这35个原子花费了研究人员数小时甚至数天的时间。

与这些进展并行，研究人员还开发了另外两种在真空中操控原子的方法：使用光镊捕获中性原子，以及使用振荡电场捕获离子。

尽管这些方法取得了显著进展，但它们仍然局限于表面或高度受控的实验系统。另一个限制量子计算机等应用材料设计的因素是，原子操控技术无法在三维空间中移动原子：图案只能在材料表面创建，暴露于环境中，无法在严格控制的实验室环境之外存活。

工程化具有定制量子特性的可用材料，需要研究人员重新排列多得多的原子，最好是在材料内部。MIT研究人员在他们的《自然》研究中展示了这一能力。

“该团队试图提高在合理时间内能够移动的原子数量，”Ross解释道。“你希望将原子彼此靠近放置，以便它们能够相互作用，并且你希望按照你的意愿排列大量原子——在特定位置放置数千或数百万个原子。这对现有技术来说一直是个挑战。”

研究人员在美国能源部橡树岭国家实验室使用高性能显微镜完成了他们的工作。他们的新技术使用一套复杂的算法，以几个皮米（一皮米为一万亿分之一米）的精度将电子束引导至目标原子。电子束会进行一个紧密绕圈以帮助锁定目标，然后沿精心设计的振荡路径发射电子束穿过材料，在每个位置停留约一秒钟。

“该团队开发的算法能够快速获取电子束在材料中位置的信息，”Klein解释说。“诀窍在于在获取这些信息的过程中使用极少的电子，这样整个过程既快速，又不会意外损坏你的晶体。该团队花了多年时间开发这些算法，并确定了推断原子最高精度位置所需的最少信息。”

研究人员设计的振荡路径使电子束在传输电子时，像在手机上滑动屏幕一样，推动整列原子移动到新位置。

在他们的实验中，研究人员使用这种方法，引导一列铬原子在一种稳定的半导体材料——溴硫化铬（厚度约13纳米的晶体）中移动。电子束在材料中创建了原子级空位，每个空位都与被移动的原子配对，研究人员计算得出，这将赋予晶体奇异的量子特性。

为了展示该方法扩展性有多好，研究人员在约40分钟内创建了超过4万个缺陷，在不同距离和不同图案中创建了空位和间隙原子，并计算出不同的原子排列应产生不同的量子力学特性。

“每个缺陷都有特定的方式与相邻缺陷相互作用，”Ross说。“如果你将它们按图案排列，你基本上可以模拟分子内电子之间的相互作用，因此，该分子的整个电子结构在某种意义上可以被映射到一个可以写入固体材料的图案中。”

探测量子系统

该方法之所以成功，很可能得益于铬在半导体中的键合方式，它具有独特的电子结构。研究人员正在进一步研究其他可能适用该方法的晶体，尽管他们怀疑它将适用于多种材料。

在适用的材料中，该方法相比现有技术有几个优势。

“在固体内部移动原子，原子能够在真空条件之外的空气中创建稳定的量子特性材料，”Klein解释说。“而且这种方法也可扩展到多次原子操控，因此移动，因此，数千或数百万个原子来创建人工结构将代表全新的物理学。该团队希望研究这些系统。”

研究人员表示，他们的技术为一种新型可编程物质奠定了基础，这可能有助于一系列稳定的量子器件的开发。

“这是一种获取涉及大量原子按特定排列放置的物理现象的方法，无法通过自组装完成，”Ross说。“你可以创建单独调谐的原子排列，并且可以拥有大量这样的排列，每一个都精确地按照你的意愿排列，覆盖数十至数百纳米的区域。这带来了该团队期待探索的集体物理学。”

这项工作部分得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。