科技日报记者 张梦然
美国麻省理工学院研究团队开发出一种可在室温下快速重排材料内部数万个原子的新技术，突破了过去30余年原子操纵仅限材料表面的限制。这项成果最新发表在《自然》杂志，为定制化量子材料设计开辟了全新路径。
该技术首次实现了在三维空间内精确移动数万个原子，且无需极端真空或超低温环境。研究团队利用高能电子显微镜，配合自主开发的精密算法，以皮米级精度控制电子束轨迹，像“原子级复印机”般在晶体内部构建出超过4万个人工缺陷结构。实验选用层状半导体溴化铬硫化物作为载体，通过电子束振荡驱动原子柱位移，形成具有特殊量子特性的空位缺陷阵列。
与传统表面原子操纵技术相比，新方法实现了三大突破：操作维度从二维扩展到三维，环境适应性从超低温提升至室温，处理效率提高数个量级。1989年IBM科学家耗时数天完成“IBM”字样原子排列的壮举，如今更大规模操作仅需数十分钟。更重要的是，埋藏于材料内部的原子结构避免了表面氧化和污染问题，为实用化量子器件奠定了基础。
研究团队通过算法优化解决了关键技术难题。电子束定位系统能以极低电子剂量实时追踪原子位置，在避免晶体损伤的同时完成动态操控。这种“原子手术刀”可精确控制缺陷间距和空间构型，理论上能模拟复杂分子的电子相互作用模式。这种能力使得在固体材料中“写入”人工设计的量子态成为可能。
初步实验已展现出该技术的巨大潜力。在特定排列下，人工缺陷表现出独特的磁学和光学特性，这些自然界不存在的物质状态可用于开发新型传感器、高密度存储器及量子计算元件。由于缺陷结构被包裹在晶体内部，其稳定性远超表面结构，更适合实际应用场景。
目前团队正致力于拓展材料适用范围，除铬基半导体外，还在探索其他层状材料的原子操纵可能性。这项技术不仅为量子物性研究提供了新工具，更开启了“原子级制造”的新模式——通过直接改写材料内部原子排列来定制其物理属性，这或将引发下一代信息技术的革新。
总编辑圈点
科学家手中的“原子手术刀”，迎来了一次重要的技术升级。过去，要想调整材料内部原子的排列方式，往往只能依靠高温、高压等“由外而内”的强制手段。而如今，全新“原子手术刀”技术可以在室温下，更高效地“由内而外”直接改变原子排布，从而实现对材料性能的调控。这意味着，科学家能够精确控制材料内部的结构和缺陷，甚至在材料中“写入”某种特定功能。这为按需设计新型材料，打开了一扇全新的大门，也有望为下一代信息技术的突破提供重要支撑。
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