科学家们首次在37年前展示了单个原子的移动能力，开启了按原子设计材料的可能性。现有技术仅能在材料表面以二维方式移动原子，并且通常需要极其缓慢的过程和高真空、超冷的实验室条件。而麻省理工学院（MIT）及能源部橡树岭国家实验室的研究团队则开发了一种新方法，可以在室温下在材料内部精确移动数万个原子，所需时间仅为几分钟。该方法使用一组算法，将电子束精确定位于材料的特定位置，然后扫描该束以驱动原子运动。MIT研究科学家Julian Klein表示：“结果表明，可以在材料的三维原子晶格内反复确定性地移动原子。”
该团队的研究成果已在《Nature》期刊上发表，描述了如何在一个晶体半导体材料中创造超过40,000个量子缺陷。这种方法为研究材料的量子行为提供了新的视角，并可能带来量子计算机、密集磁存储、原子级逻辑设备等系统的改进。
该研究的灵感源于1989年IBM的一个标志性演示，科学家们使用扫描隧道显微镜在冷却的晶体表面上排列35个原子，成功实现了原子的精确定位。然而，传统方法的局限在于只能在表面操作，并且往往需要长时间的实验过程。
MIT团队的创新技术利用高性能显微镜和复杂的算法，精确控制电子束在目标原子上方的运动，精度达到几皮米（万亿分之一米）。通过这种方式，研究人员能够推动整个原子柱的移动，创造出原子大小的空位，预计这些空位将赋予晶体异乎寻常的量子特性。实验中，他们在约40分钟内创造了40,000个缺陷，展示了其方法的可扩展性。
Klein补充道：“在固体内部移动原子使得材料中量子特性的创造能够在真空条件之外的空气中稳定存在。这种方法也可以扩展到大规模的原子操作，使得创建人工结构成为可能。”
因此，这项研究为可编程材料的新类奠定了基础，可能推动稳定量子设备的发展。研究人员期待探索大量原子以特定排列方式放置所涉及的物理现象，这些现象无法通过自组装实现。
博主点评： 这项技术的突破不仅在于原子移动的速度与精度，更在于其可扩展性和在真实环境中的应用潜力，预示着未来量子计算和材料科学的重大进展。通过创造具有特定量子特性的材料，科学家们将能够深入探索量子物理的边界，推动科技的前沿发展。