自科学家首次展示移动单个原子的能力以来已过去37年。现有技术虽能实现原子级操控，但仅限于二维空间，且多需高真空、超低温等实验室条件。近日，麻省理工学院、美国能源部橡树岭国家实验室等机构的研究团队开发出一种新方法，可在室温下几分钟内精确移动材料中数万个原子，并在三维空间内对原子晶格进行重排。相关论文已发表于《自然》杂志。
“研究结果表明，我们能够有目的地在材料的三维原子晶格中反复移动原子，”麻省理工学院研究科学家朱利安·克莱因说道。一段动画展示了研究人员如何控制原子的运动。(图片来源：研究人员提供)
该方法利用一套复杂算法，以皮米级(万亿分之一米)精度将电子束定向到目标原子上。电子束绕紧密环路锁定目标后，沿精心设计的振荡路径穿过材料，在每个位置停留约一秒，将整列原子推至新位置。研究人员在开发过程中确定了以最高精度推断原子位置所需的最小信息量，使得整个过程既快速又不会意外损坏晶体。
在实验中，研究人员利用该方法在厚度约13纳米的硫化溴化铬晶体中，引导铬原子柱的运动，约40分钟内制造了超过40,000个量子缺陷。每个缺陷由一个原子大小的空位与一个被位移的原子配对组成，研究人员计算得出这将赋予晶体特定的量子特性。
麻省理工学院研究科学家、该项目负责人朱利安·克莱因表示："我们能够确定性地在材料的三维原子晶格内反复移动原子，可以对材料进行重新编程，随意制造缺陷，从而实现自然界中不存在的完全人工物质状态，这些状态在传感、光学和磁学技术等领域具有广泛的潜在应用。"
麻省理工学院材料科学与工程系教授弗朗西斯·罗斯将该技术比作"复印机"，可以制造出一列列相同的原子缺陷。他指出，由于缺陷存在于表面之下，该系统比表面操控更加稳健，且可通过反复操作在三维空间中构建具有可调功能的原子排列。
研究人员表示，该方法为研究材料中的量子行为提供了新途径，有望应用于量子计算机、高密度磁存储器、原子级逻辑器件等领域。克莱因指出，在固体内部移动原子可在非真空条件下的稳定材料中创造量子特性，移动成千上万甚至数百万个原子来创建人工结构，将代表一种全新的物理学方向。
该研究部分经费来自美国能源部和国家科学基金会。论文共同作者还包括橡树岭国家实验室、落基山国家实验室、伦敦国王学院、布拉格化学技术大学、比勒费尔德大学、拉德布德大学等机构的研究人员。
