引子
能夠如筆者一般待在南大這樣還算有些底蘊(yùn)的高校，就算是濫竽充數(shù)之輩，也能從中得到很多好處。一個(gè)好處就是，只要愿意，就能不斷更新自己的認(rèn)知與視野。只要不是主觀排斥，這樣的認(rèn)知還是令人快樂(lè)的，雖然帶來(lái)的副作用之一便是所學(xué)太雜、對(duì)新知識(shí)只能是走馬觀花學(xué)而不精。
過(guò)去兩年，一些偶然或機(jī)緣巧合，筆者聽(tīng)了南大物理學(xué)院帥哥教授宋鳳麒的兩次“原子制造”主題演講。雖然早知道鳳麒是國(guó)內(nèi)執(zhí)“原子制造”牛耳的學(xué)者之一，但那時(shí)候筆者并無(wú)真的去用心學(xué)習(xí)這一概念、方向、領(lǐng)域、學(xué)科甚至未來(lái)產(chǎn)業(yè)的脈絡(luò)與內(nèi)涵。最近，總算有了一些閑暇時(shí)光，可以暫時(shí)不管宏塵大世，而去到微觀世界看“原子起、原子落”、看“原子制造”?？戳艘粫?huì)，思索了幾天，便開(kāi)始班門(mén)弄斧，旅行路上寫(xiě)幾段“原子制造”的讀書(shū)筆記在這里。
所謂“原子制造”，以筆者之望文生義，應(yīng)該就是在原子層次上的制造。這一“制造”不僅指以原子尺度 0.1 nm 為精度的加工處理，亦指以原子為基本單元組裝創(chuàng)制新物態(tài)。后者自然是“原子制造”更廣闊之天地。事實(shí)上，這一定義的具體內(nèi)涵依然是開(kāi)放的。物理人可隨時(shí)對(duì)之進(jìn)行調(diào)整、擴(kuò)充、深化與凝練。
這一讀書(shū)筆記的基調(diào)，主要源于這一“望文生義”和如下“囫圇吞棗”一般的思索，也基于圖 1 這般物理藝術(shù)視角上的蒙太奇想象！挺好的創(chuàng)意和場(chǎng)景。
圖 1. 物理藝術(shù)家眼中的原子制造：左邊是用原子搭建構(gòu)造的顯微鏡，右圖是一張?jiān)又圃焓疽鈭D，其中綠色激光束先將二維六方晶格格點(diǎn)的原子 (黑色原子) 取走，然后再將抓取另外一個(gè)原子 (亮的原子) 到這個(gè)位置，從而形成一個(gè)新的、稀疏有序的格子。這一新格子，如果攜帶新功能，則此過(guò)程就達(dá)至原子制造的目標(biāo)。
(左圖) Atomically precise manufacturing has implications for everything from medicine to economic development to climate change. from https://www.theguardian.com/science/small-world/2013/oct/21/big-nanotech-atomically-precise-manufacturing-apm。
(右圖) An artistic rendering illustrates a method for building materials atom-by-atom. Here, an electron beam removes a carbon atom from graphene, allowing a different atom to bond precisely at the vacancy. Credit: Ondrej Dyck/ORNL, U.S. Department of Energy. from https://www.electropages.com/blog/2024/11/researchers-develop-new-technique-individual-atom-fabrication。
制造技術(shù)的科技尺度
不妨從最簡(jiǎn)單的“空間尺度”來(lái)梳理制造技術(shù)的發(fā)展。
(1) 從近代制造業(yè)的發(fā)展脈絡(luò)看。人類跨越農(nóng)耕時(shí)代而進(jìn)入工業(yè)化，是從蒸汽機(jī)發(fā)明和機(jī)器制造開(kāi)始 (所謂第一次工業(yè)革命)。我們的先輩有了毫米、亞毫米 (mm) 精度的制造技術(shù)，誕生了火車(chē)、輪船和工農(nóng)用機(jī)械等為代表的制造產(chǎn)業(yè)。注意到，蒸汽機(jī)的使用，使人類的生活一下子高效、便利很多，但并沒(méi)有因?yàn)楸粰C(jī)器奪去很多工作機(jī)會(huì)而大量失業(yè)在家受窮。到了所謂第二次工業(yè)革命的電氣時(shí)代，人類制造業(yè)的精度就到了微米 (μm)，各種大型機(jī)器與家用電氣產(chǎn)品被廣泛使用，生活生產(chǎn)效率提升之大難以估量。制造技術(shù)迭代到第三次工業(yè)革命，半導(dǎo)體微電子、激光、現(xiàn)代通信和智能生活興起，人類制造的效率顯著提升 (如圖 2(a) 所示) 和精度推進(jìn)到微納尺度 (如圖 2(b) 所示。以光刻技術(shù)為例，精度達(dá)到 ~ 100 nm)。及至今天，微納制造已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前端，特別是新一代光刻技術(shù)和自組裝概念，使得 ~ 1 nm 左右的精度控制不再是神話。對(duì)每隔一段時(shí)間就有新的工業(yè)革命到來(lái)，人類已習(xí)以為常并以此鞭策自身。因此，如果讓數(shù)百年來(lái)于歷次工業(yè)革命中都執(zhí)牛耳的物理人再提出下一個(gè)制造領(lǐng)域的開(kāi)拓性、革命性思路，不算什么天方夜譚：就空間尺度而言，到了 0.1 nm 精度被提上日程的時(shí)候，就是原子制造！
(2) 從制造業(yè)對(duì)應(yīng)的物理學(xué)科尺度看。蒸汽機(jī)和第一代機(jī)械制造，主要被牛頓力學(xué)和熱力學(xué)所引導(dǎo)。質(zhì)點(diǎn)和由質(zhì)點(diǎn)按照一定規(guī)則構(gòu)成的宏觀體系，用牛頓力學(xué)描述其受力和運(yùn)動(dòng)大致足夠了。到了熱機(jī)運(yùn)動(dòng)，熱力學(xué)和大數(shù)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推手。第二次工業(yè)革命背后的推手，應(yīng)該就是光學(xué)和電磁學(xué)了 (讀者不必質(zhì)疑為何作為電磁波的光學(xué)會(huì)排在電磁學(xué)前面)。電荷、磁性、光的傳播與干涉衍射等物理媒介，其典型尺度就到了微米和亞微米 (μm, sub-μm)，構(gòu)成電氣時(shí)代發(fā)展的本源驅(qū)動(dòng)力。第三次工業(yè)革命的推手，當(dāng)然就是量子力學(xué)和電磁學(xué)的大集成，已不需要筆者在此鸚鵡學(xué)舌、班門(mén)弄斧。微納制造并非費(fèi)曼的幾句話就能觸發(fā)的，本質(zhì)上還是物理學(xué)科發(fā)展的尺度已到了那里。好吧，微納科技，已經(jīng)觸及制造業(yè)能夠觸摸到的物理學(xué)科之最底層：量子力學(xué)。量子力學(xué)主打的物質(zhì)世界，其典型對(duì)象就是原子及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以，物理學(xué)科尺度也促使物理人要躍躍欲試于原子制造！
(3) 從物理理解的范式演變看。筆者試圖從這種理解范式上找到一些“原子制造”的客觀邏輯，看看能否有所收獲。對(duì)物理世界的理解，目前的范式無(wú)非是粒子與波。對(duì)制造精度的理解，更多是基于粒子的圖像。從宏觀物體的運(yùn)動(dòng)誤差，到微納尺度的粒子大小，即便是超高精度的壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，依賴的物理圖像依然是對(duì)稱性破缺那一套物理。注意到，壓電驅(qū)動(dòng)，還有它的類似伙伴機(jī)制，如壓阻，可是諸如硬盤(pán)懸臂尋址、光學(xué)元件位移、STM 針尖移動(dòng)等所依賴的物理機(jī)制，其操控精度輕松可到 ~ 1 nm。到了量子力學(xué)，物理以波動(dòng)為核心，不再拘泥于粒子圖像，但狀態(tài)卻是相互分立的能量子，再加上那個(gè)“波粒二象性”的量子力學(xué)觀念在過(guò)去數(shù)十年大行其道，讓物理人可以很好運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)“量子操控”！而可能的“原子制造”要去觸及的這個(gè)尺度，似乎在閃爍其詞、提示物理人：0.1 ~ 1 nm，是波動(dòng)與粒子間一種協(xié)調(diào)或 “compromise”。這種協(xié)調(diào)也好、妥協(xié)也罷，昭示“原子制造”可能是人類制造的新天地！既然是新的，那就可以去探索！
(4) 從科技發(fā)展進(jìn)程與科學(xué)基礎(chǔ)看。誠(chéng)然，再好的物理，如果沒(méi)有科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)性鋪墊，那也只是一種理論或觀念。原子制造，之所以不是一種觀念或構(gòu)想，很大的自信來(lái)源于科學(xué)到底認(rèn)清原子了沒(méi)有？技術(shù)能否到達(dá)原子？今天的物理人很清楚：這兩者都很大程度上實(shí)現(xiàn)了！也就是說(shuō)，“原子制造” if any，有了相對(duì)充實(shí)的科技基礎(chǔ)。
圖 2. 制造業(yè)的時(shí)間效率 (a) 與精度 (b) 的歲月演化。
from The History of CNC Machines, https://capablemachining.com/blog/the-history-of-cnc-machines/。
有了如此四點(diǎn)“囫圇吞棗”，有了如圖 2 所示的效率精度演化的激勵(lì)，看起來(lái)，物理人可以扛起“原子制造”的大旗了。不過(guò)，需要指出，制造業(yè)極限尺度不斷向 nm 推進(jìn)，乃是人類制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的后果，而不是原生驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)。一次一次工業(yè)革命帶給制造業(yè)精度的飛躍提升，乃源于制造業(yè)目標(biāo)向微小世界的不懈追求。過(guò)去三十年發(fā)展起來(lái)的微納科學(xué)、亦或是納米科技，從制造業(yè)角度或?qū)W科內(nèi)涵角度去審視，讓物理人感覺(jué)有些天馬行空、鋪面太大 / 太廣 / 太泛。總體而言，微納科技的學(xué)科與產(chǎn)業(yè)目標(biāo)還不那么清晰明了。正因?yàn)槿绱?，才有過(guò)去三十年科技界各行各業(yè)紛紛卷起褲腿、淌入到微納之海中進(jìn)行新功能新機(jī)遇的探索，才有了微納科技或微納制造業(yè)目前的現(xiàn)狀：紛繁復(fù)雜、色彩斑斕。
在這里討論“原子制造”，馬上映入大腦的問(wèn)題就是：這是否就是將經(jīng)典制造、或者說(shuō)微納制造，推展到量子操控主打的原子尺度？如果是，如果又沒(méi)有本質(zhì)挑戰(zhàn)和難度，那“干”就是了！
本文將從一個(gè)側(cè)面展示，現(xiàn)實(shí)可能并非如此！這“并非如此”，核心在于微納制造和量子操控之間存在一個(gè)筆者稱之為 “gap” 的區(qū)域。對(duì)物理人算是稍有遺憾亦或幸運(yùn)的是，這個(gè) gap 所在，就是“原子制造”學(xué)科得以風(fēng)生水起之所在。
經(jīng)典與量子之 “gap”
過(guò)去兩年，為了梳理如何“原子制造”，科技界已有了不少文章總結(jié)、論述其中的發(fā)展脈絡(luò)。材料科學(xué)與制造工程學(xué)，一般不大細(xì)究物理學(xué)對(duì)經(jīng)典物理和量子物理不同的認(rèn)知，而是將過(guò)往數(shù)十年同行前輩在微納制造方面的努力梳理出來(lái)。這種梳理，可以有不同視角，梳理賴以完成的基本原理和技術(shù)路線卻都是清楚的。
不過(guò)，如果從制造技術(shù)賴以發(fā)展的物理原理角度去審視，也是可以梳理出一些不大一樣的條理的。這些個(gè)條理，大致亦可分為兩大類：經(jīng)典制造和量子操控，外加一個(gè)它們之間的 gap。
(1) 經(jīng)典制造之一條線，乃自上而下向納米、向原子尺度推進(jìn)。
這種推進(jìn)，一是依賴光學(xué)原理。這里的光學(xué)，與量子力學(xué)中的波動(dòng)力學(xué)不是一回事，是指經(jīng)典物理中的光學(xué)。光學(xué)應(yīng)用于制造的典型代表，就是光刻和微加工技術(shù)。通過(guò)不斷提升光源品質(zhì) (如紫外、深紫外) 和波前工程，將光刻極限推到 ~ 100 nm 級(jí)別。圖 3(a) 所示的作品，就是一個(gè)例子。但是，隨之進(jìn)一步提升分辨率卻遭遇到巨大挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)，可以浸沒(méi)光刻技術(shù)作為反襯之例來(lái)說(shuō)明。光刻中的浸沒(méi)技術(shù)，不過(guò)是將光路浸入折射率與光學(xué)透鏡折射率一樣的液體中，以此來(lái)消除光路折射引起的誤差而已。這一簡(jiǎn)單物理操作，卻能將光刻精度提升一檔，也讓發(fā)明人林本堅(jiān)先生留名光刻技術(shù)之青史。
這種推進(jìn)，二是依賴電 - 力耦合原理。電 - 力耦合用于制造的典型代表就是數(shù)據(jù)磁盤(pán)和智能機(jī)械 (如機(jī)器人用的壓電和磁致伸縮馬達(dá))。壓電材料的應(yīng)變具有極好的線性響應(yīng)，通過(guò)不斷提升電-力耦合電機(jī)品質(zhì)，現(xiàn)在可以將壓電電機(jī)的步進(jìn)位移精確到 10 nm 量級(jí)，使得微納制造精度接近原子制造的水平。不過(guò)，再進(jìn)一步提升位移精度，就對(duì)壓電或磁致伸縮材料的品質(zhì)極限提出了挑戰(zhàn)，多年來(lái)步進(jìn)精度進(jìn)展也停滯下來(lái)。
(2) 經(jīng)典制造之另一條線，乃自下而上組裝原子器件。這一技術(shù)路線依賴的物理原理就較為紛繁復(fù)雜，目前的認(rèn)知主要是基于材料物理與化學(xué)方面的成熟知識(shí)，探索尋找各種可控組裝的方法，如晶面選擇、二維生長(zhǎng)模式控制、界面能控制、應(yīng)變調(diào)控、電化學(xué)、幾何限域效應(yīng)等。讀者可在化學(xué)和材料學(xué)相關(guān)刊物上看到大量這樣的文獻(xiàn)報(bào)道。圖 3(b) 所示即為一個(gè)例子，展示了納米棒陣列的自組裝生長(zhǎng)。這種探索，無(wú)疑是重要的，但真正跨過(guò)大規(guī)模制造門(mén)檻的實(shí)例似乎并不多。事實(shí)上，自組裝生長(zhǎng)，除非環(huán)境熱力學(xué)漲落比自組裝生長(zhǎng)的表面臺(tái)階能之類小很多，否則環(huán)境漲落就足夠?qū)е麓竺娣e規(guī)則單元生長(zhǎng)的希冀成為泡影。
圖 3. 微納制造中兩種常見(jiàn)方案：(左) 微加工光刻等自上而下制造的針狀電極陣列，用于生物醫(yī)學(xué)探測(cè)診斷。(右) 自下而上的材料自組裝生長(zhǎng)而成的微納陣列。前者大規(guī)模集成制造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，后者似乎依然在走向大尺度規(guī)?；圃熘飞?，挑戰(zhàn)不小。
(左) https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2022/10/07-brain-arrays.html。
(右) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0143816610000941。
回過(guò)頭來(lái)，再看量子操控。如果說(shuō)“原子制造”的一端是微納技術(shù)，則量子操控位于“原子制造”的另一端。作為一種極限操控，如其說(shuō)是一種技術(shù)，不如說(shuō)是一種基礎(chǔ)物理的探索。以“陽(yáng)春白雪”來(lái)描述很是恰當(dāng)，雖然原子制造需要的是能大規(guī)模實(shí)施的“下里巴人”。
目前的所謂“量子操控”，主要還是從操控一個(gè)一個(gè)的原子入手。那個(gè)最有名的量子圍欄就是一個(gè)范例，成為物理人宣稱可以實(shí)現(xiàn)“量子制造”的重要證據(jù)，如圖 4 上部的圖像表達(dá)。注意到這種“量子操控”，能夠通過(guò)波動(dòng)物理在原本沒(méi)有粒子的空間處產(chǎn)生“粒子／波”的效應(yīng)，也許算是一種所謂的物質(zhì)創(chuàng)制。
這種操控結(jié)果賞心悅目，據(jù)說(shuō)圖 4 曾經(jīng)榮登科學(xué)圖片之年度榜首。但操控過(guò)程卻是萬(wàn)水千山。之所以這么說(shuō)，乃是量子力學(xué)告知我們，操控單個(gè)原子本身就是一件很辛苦的事情。以目前量子操控最優(yōu)雅的技術(shù) ~ STM 針尖操控為例來(lái)說(shuō)明，比較有說(shuō)服力。物理人很早就實(shí)現(xiàn)了用 STM 針尖將樣品表面的某個(gè)原子拎起來(lái)、放下去的操作，但是這種拎來(lái)拎去的能力源于很復(fù)雜的量子相互作用機(jī)制：(1) 針尖原子與目標(biāo)原子之間的隔空隧穿效應(yīng)，可以等效為一種吸附與釋放作用，從而將目標(biāo)原子拎起來(lái)、放下去；(2) 針尖原子與目標(biāo)原子之間的范德華力，受控于針尖位置和偏壓而誘導(dǎo)目標(biāo)原子改變位置；(3) 針尖施加脈沖能量吸引遠(yuǎn)處的原子或發(fā)射原子到遠(yuǎn)處；(4) 其它操作過(guò)程施加的電磁相互作用之量子力學(xué)版本?？梢钥吹?，這樣的操控，如果所依賴的機(jī)制如此多重，且不說(shuō)有多大機(jī)會(huì)能到規(guī)模制造水平，即便是定點(diǎn)定位也是一個(gè)復(fù)雜的進(jìn)程。這樣的操控，用來(lái)演示物理人精巧的手法和創(chuàng)意當(dāng)然是可以的，但要發(fā)展大規(guī)模制造的技術(shù)還是顯得相對(duì)早期，需要下大力氣去發(fā)展。
這種技術(shù)上的難度，源于量子物理的本質(zhì)特征，可以從很多物理視角來(lái)理解這一點(diǎn)。詳細(xì)和嚴(yán)格的推導(dǎo)不是本文的目的，我們不妨從“能量”這一物理學(xué)“最高憲法”的角度去看。量子操控所涉及的那些物理過(guò)程，其能標(biāo)大概就在 meV 量級(jí)，等效于最高 10 K 左右的溫度。因此，量子操控易于被很多機(jī)制所左右、易于被邊界和環(huán)境漲落所左右，是可以理解的。用 STM 之類的技術(shù)，每次操控一個(gè)原子，最大的好處就是其周?chē)吔绾铜h(huán)境可以最大限度被固定下來(lái)。大規(guī)模集成制造對(duì)體系施加的能標(biāo)漲落實(shí)在是太大了，意味著一次人工量子操控大數(shù)原子、使得每一個(gè)原子都適得其所的可能性幾乎為零。這是量子操控適用于規(guī)模集成制造所面臨的物理原理限制。以圖 4 下部的 IBM 原子標(biāo)記來(lái)描述：相隔足夠遠(yuǎn)距離，STM 足夠?qū)⒁粋€(gè)一個(gè)原子高精度定位于某一點(diǎn)，但如果定位原子之間距是原子晶格間距，則這樣的操控就變得很困難。原因在于，那么小的距離范圍內(nèi)，原子之間的量子漲落和干擾，可能比量子操控本身涉及的能標(biāo)更大。
圖 4. 量子操控研究中那些曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的原子制造圖案。上圖是 Fe 原子圍欄 (atom corral) 將電子束縛于圍欄內(nèi)形成的波動(dòng)干涉圖案。下圖乃用 STM 操縱原子組成的 IBM logo。
(top) from https://physics.aps.org/articles/v18/24。
(bottom) from https://cen.acs.org/analytical-chemistry/imaging/30-years-moving-atoms-scanning/97/i44。
舉個(gè)形象的例子：假定用一組 STM 針尖陣列在集成芯片基底上布陣原子陣列，以實(shí)現(xiàn)集成制造。如果這個(gè)陣列要做到原子級(jí)陣列密度，即最終的原子-原子間距達(dá)到亞 ~0.1 nm 尺度、與原子尺寸相若。此時(shí)，每一次針尖陣列搬運(yùn)原子，都需要重新更新搬運(yùn)程序以適應(yīng)邊界和環(huán)境漲落條件的變化。更進(jìn)一步，這一次搬運(yùn)帶來(lái)的能標(biāo)漲落，可能顯著影響上一次搬運(yùn)到位的原子之位置。這種不確定性，未知是否源于那個(gè)天大的“量子測(cè)不準(zhǔn)原理”，但至少預(yù)示出集成制造原子器件的 STM 針尖操控方法，不是制造工程喜歡的方法，或者說(shuō)不可行。
如果讀者還感覺(jué)如上量子操控的描繪太過(guò)艱澀，筆者不妨再來(lái)一個(gè)更為科普一些的例子。首先，我們理解，原子制造要面對(duì)的一定是少數(shù)原子體系 (少子體系)，例如要制造 5 個(gè)原子和 10 個(gè)原子構(gòu)成的器件。此時(shí)，少子體系中原子 - 原子之間的相互作用，就是原子制造物理學(xué)中最基本的知識(shí)。眾所周知，對(duì)兩個(gè)原子間相互作用，物理人說(shuō)可以用 Lennard - Jones (L - J) 勢(shì)函數(shù)來(lái)描述。有了這個(gè)勢(shì)函數(shù)，任意個(gè)原子組成的系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)，應(yīng)該就可以是這個(gè)勢(shì)函數(shù)的疊加求和。這樣的推演，是物理人的標(biāo)準(zhǔn)操作，但實(shí)際上存在一些不確定性：(1) 這一勢(shì)函數(shù)是不嚴(yán)格的，因?yàn)樗皇菄?yán)格推導(dǎo)的結(jié)果，更多是一種基于大數(shù)原子系統(tǒng)的唯象近似表達(dá)式。(2) 在少子體系，孤立的兩個(gè)原子之間作用很顯然不是 L - J 勢(shì)函數(shù)這樣的各向同性表達(dá)式，即便是最簡(jiǎn)單的 s 軌道原子也未必如此。(3) 少子體系中的相互作用物理，即便不是空白，亦會(huì)是大半荒蕪荊棘之地。
行文到此，我們已經(jīng)明了，經(jīng)典微納制造和量子操控之間的 gap，未必很寬大，但卻有些深不可測(cè)。這種不可測(cè)度，一是科學(xué)原理上的本征挑戰(zhàn)，一是經(jīng)典微納制造延申和量子操控技術(shù)集成化所面臨的技術(shù)鴻溝。
填補(bǔ)這一 gap、填平這一鴻溝，便是“原子制造”的使命。從這個(gè)意涵上看，說(shuō)“原子制造”是制造技術(shù)的宣傳隊(duì)、是播種機(jī)，顯然是可以的。
好吧，那該怎么去做好宣傳隊(duì)與播種機(jī)？按照筆者的老學(xué)究氣理解，播種機(jī)，也就是科學(xué)：原子制造要有科學(xué)內(nèi)涵與技術(shù)基礎(chǔ)，因此需要建立原子制造的科學(xué)。宣傳隊(duì)，則是要?jiǎng)訂T更多科學(xué)人踴躍參與到原子制造這一新領(lǐng)域中。來(lái)搭建科學(xué)基礎(chǔ)也好，來(lái)嘗試工程實(shí)踐也罷，總之是要開(kāi)拓一方讓原子制造茁壯成長(zhǎng)的土壤。
圖 5. 物理人已開(kāi)始探索的一些潛在原子制造方法舉例：(A) 針對(duì)二維 monolayer 體系，兩層單層原子堆疊形成魔角莫爾結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生一系列本源體系不存在的量子效應(yīng)；(B) 兩層六角雙原子單層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)面內(nèi)滑移實(shí)現(xiàn)電極化翻轉(zhuǎn)，即鐵電性；(C) 原子團(tuán)簇創(chuàng)制及其定點(diǎn)氧化還原反應(yīng)的催化實(shí)現(xiàn)。宋鳳麒他們的團(tuán)簇定制技術(shù)，就可以在這等“制造”中大顯身手。
(A) from https://www.nextbigfuture.com/2023/08/explainer-thread-on-lk99-room-temperature-superconductors.html。(B) from https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.176801.(C) Y. Chen et al, Nature Chemical Engineering 2,38 (2025), https://www.nature.com/articles/s44286-024-00162-x。
原子制造的內(nèi)涵思考
作為一個(gè)筆者武斷地看成是新學(xué)科的未知之所、探索之地，原子制造與歷史上那些被開(kāi)拓的嶄新學(xué)科還是有些不同：這一學(xué)科的左右兩端，即微納科學(xué)和量子操控，都相對(duì)比較成熟。左右兩端向中間領(lǐng)域的知識(shí)滲透，讓原子制造有了很多外延和擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的知識(shí)內(nèi)涵，圖 5 就是幾個(gè)很好的實(shí)例。只是，這些內(nèi)涵需要用一種科學(xué)的邏輯進(jìn)行補(bǔ)充、梳理、歸納和提升，從而為原子制造工程和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化提供原理支撐。筆者大約按照如下線條，做一些粗暴式梳理，希望構(gòu)成一個(gè)“原子制造”的讀書(shū)筆記系列：
(1) 少子體系的相互作用理論：這是原子制造學(xué)科的物理基礎(chǔ)。原子分子物理處理少子系統(tǒng)的相互作用，但更多可能是考慮原子分子內(nèi)部的物理。團(tuán)簇物理對(duì)這一問(wèn)題也有所涉及，包括分子動(dòng)力學(xué)模擬和數(shù)值計(jì)算。少子體系嚴(yán)格的物理求解大概還是一個(gè)難題，因此少子體系原子 - 原子 / 分子 - 分子之間相互作用理論及其升級(jí)完備，應(yīng)該是原子制造的基礎(chǔ)學(xué)科需求。
(2) 少子體系的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)：眾所周知，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論都是針對(duì)大數(shù)粒子系統(tǒng)的。在微納科技中，物理人已經(jīng)提出了小系統(tǒng)有限系統(tǒng)熱力學(xué)的概念，并嘗試進(jìn)行理論化。對(duì)原子制造涉及的少子系統(tǒng)，如果是考慮規(guī)模和集成制造，則原子制造熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究會(huì)很有價(jià)值，也有可能提出新的概念和理論。熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，能夠?yàn)樯僮酉到y(tǒng)的幾何組態(tài)、成分分布、外場(chǎng)響應(yīng)和演化行為提供指導(dǎo)與預(yù)測(cè)。
(3) 制備新技術(shù)：發(fā)展可以規(guī)模化和集成的制造新技術(shù)，是原子制造科學(xué)的主體。筆者首先能夠想到的就是，宋鳳麒教授的團(tuán)簇規(guī)?；瘎?chuàng)制與篩選方法。通過(guò)多種團(tuán)簇束流加工、譜學(xué)表征、精密操控與功能化，有可能實(shí)現(xiàn)可定制的原子制造平臺(tái)。除此之外，過(guò)去一些年二維材料的進(jìn)展也給原子制造新技術(shù)提供了一些發(fā)展平臺(tái)。最典型的就是原子層雙層滑移和魔角莫爾條紋兩個(gè)范例 (圖 5(a) 和 5(b) 就是兩個(gè)例子)。雖然就是兩個(gè)單一化的制備方法，但每一方法都帶動(dòng)了一個(gè)研究方向的興起。更多的例子包括團(tuán)簇宏量可控制備、晶圓原子鍵合技術(shù)、原子定點(diǎn)功能化技術(shù) (催化、光合、電磁激發(fā))。事實(shí)上，原子制造愈多發(fā)展出類似的制造方法就愈能體現(xiàn)這一新學(xué)科的生命力。
(4) 新器件與新產(chǎn)業(yè)：當(dāng)下產(chǎn)業(yè)發(fā)展已對(duì)原子制造提出一些新功能需求和原子級(jí)加工需求，推動(dòng)了原子制造走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，令人期待。
如上的梳理，當(dāng)然不是窮盡的，甚至很可能是殘缺不全的，畢竟這是筆者誤打誤闖入這片“未知之地”所見(jiàn)所聞之記錄。作為有關(guān)這一主題的第一篇讀書(shū)筆記，也無(wú)須做到完備和窮盡，不如就此打住。雷打不動(dòng)的結(jié)尾：Ising 乃屬外行，描述不到之處，敬請(qǐng)諒解。
七律 · 燕山之望
世外風(fēng)光嘆柳蒲，蒼顏半影泛天湖
孤尖白樺凌空矗，浩渺青穹極目迂
俯仰遐遙投險(xiǎn)路，交橫水木破冰途
塵間許我巡游走，一幅江山涉有無(wú)
(1) 筆者 Ising，任職南京大學(xué)物理學(xué)院，兼職《npj Quantum Materials》編輯。本文得到宋鳳麒和吳鏑老師的多方指導(dǎo)，在此致謝！
(2) 小文標(biāo)題“原子制造：未知之地”乃宣傳式的言辭，不是物理上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法。這是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，具有極大的張力和高的維度，因此也難以給出那么客觀可靠的描述。但制造業(yè)，未來(lái)的引領(lǐng)者，看起來(lái)要有“原子制造”的一席之地。
(3) 圖片來(lái)自筆者拍攝的一幅風(fēng)景 (20250311)，展示了由這些“原子”般圍棋子構(gòu)成的幾何圖案之意向。其中每一枚圍棋子上都印有一個(gè)英文問(wèn)題，體現(xiàn)了“原子制造”的意涵。小詩(shī) (20250320) 原本描寫(xiě)燕山的嚴(yán)冬景色，放在這里表達(dá)對(duì)宋鳳麒他們這些敢于拓春的原子制造探索者們之敬意和期待。
(4) 封面圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，展示了原子制造的卡通形象。圖片地址 https://phys.org/news/2018-05-atomic-scale-reality.html。
本文轉(zhuǎn)載自《量子材料QuantumMaterials》微信公眾號(hào)
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