该研究团队在短短40分钟内在半导体晶体中产生了4万个量子缺陷。

来自美国麻省理工学院（MIT）和橡树岭国家实验室（ORNL）的一组研究人员找到了一种方法，能够在室温下利用电子束在几分钟内精确移动数万个原子，为探测器和传感器等量子系统的改进铺平了道路。

大约40年前，IBM的研究人员曾使用扫描隧道显微镜，在一块晶体表面排列35个原子，拼写出“IBM”字样。这是人类首次成功实现原子的精确定位，也开启了科学家的量子之旅，此后他们开始在晶体材料中有意制造原子大小的空位和表面原子等特定缺陷。

此后，光镊和振荡电场等其他技术被用来捕获中性原子或离子。但到目前为止，这些进展要么局限于超低温实验室环境，要么仅限于在二维平面内移动原子。而MIT研究人员的工作有望彻底改变量子研究与应用，因为如今原子不仅可以在三维空间中移动，还能在室温下进行。

他们是如何做到的？

在橡树岭国家实验室的高性能显微镜上，研究人员利用一套高度精密的算法，将电子束以几皮米的精度瞄准目标原子。电子束通过紧密的闭环锁定目标后，再沿着一条确定的振荡路径将电子送入材料。

电子束的运动推动整列整列的原子移动到新的位置，很像我们在智能手机上滑动屏幕的操作。而电子则有助于确定电子束在材料中的位置。

提出并指导该项目的MIT研究员朱利安·克莱因解释说：“诀窍在于，在获取信息的过程中只使用极少量的电子，这样整个过程就会很快，且不会无意中损坏你的晶体。”

在实验中，研究人员成功引导了13纳米厚半导体材料中铬原子柱的移动。材料中产生的原子级空位与被移位的原子配对后，会赋予材料奇异的量子特性。

可扩展，面向未来

有趣的是，该团队在短短40分钟内就在晶体中产生了4万个量子缺陷。相比之下，IBM研究人员当年移动那35个原子就花了数小时。这充分展示了该方法的可扩展性。

MIT材料科学与工程教授弗朗西斯·罗斯在新闻稿中补充说：“这就像一台影印机，可以制造出一列列完全相同的原子缺陷。”

“这特别有用，因为你可以移动几个原子来形成缺陷，然后不断重复，从而构建出具有可调功能的三维原子排列。而且由于缺陷存在于表面之下，整个系统会更稳定。”

不过，研究人员也注意到所使用半导体材料的特殊性，因为铬具有独特的电子结构。因此，他们正在研究还有哪些其他材料适用于这种方法。

克莱因解释说：“在固体内移动原子，能够使材料在真空环境之外的空气中获得稳定的量子特性。这种方法还可以扩展到大量的原子操控，因此移动数千乃至数百万个原子来创建人造结构，将展现出全新的物理学。”

这项技术为可编程物质奠定了基础，未来有望据此开发出稳定的量子器件。

该研究成果已发表在《自然》杂志上。

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