美國麻省理工學院（MIT）和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究團隊發現了一種方法，能夠在室溫下使用電子束在幾分鐘內精準移動數萬個原子，這為量子系統如探測器和感測器的改進鋪平道路。
近 40 年前，IBM 研究人員使用掃描隧道顯微鏡，在晶體表面排列 35 個原子拼出 IBM。這是人類首次成功精準定位原子，並為科學家開啟量子之旅，他們隨後在晶體材料中製造特定缺陷，如原子大小的空位和表面原子。
其後，其他進展如光鑷和振盪電場已被用於捕獲中性原子或離子。然而，到目前為止，這些進展僅限於超冷實驗室環境或二維原子移動。
室溫三維原子操控革命
MIT 研究人員的工作可能革新量子研究和應用，因為現在原子不僅能在三維空間移動，還能在室溫下實現。他們如何做到？研究團隊使用 ORNL 的高性能顯微鏡，透過一套高度精密的演算法，引導電子束以幾皮米精度瞄準目標原子。束流鎖定目標後，沿定義的振盪路徑發射電子穿透材料。束流的運動會推動整列原子移至新位置，類似我們在智能手機上滑動。電子有助確定束流在材料中的位置。「竅門是獲取該資訊時使用極少電子，讓整個過程快速且不會意外損壞晶體，」MIT 研究員 Julian Klein 解釋，他構思並領導該項目。
在實驗中，研究人員成功引導半導體材料（厚度 13 納米）中鉻原子列的移動。材料中產生的原子大小空位，與位移原子配對後，會賦予材料奇異量子特性。
有趣的是，研究團隊在短短 40 分鐘內於晶體中產生 40,000 個量子缺陷。相比之下，IBM 研究人員花數小時移動那 35 個原子。這顯示該方法的擴展性。「這就像一台影印機，能夠製造相同原子缺陷的列，」MIT 材料科學與工程學教授 Frances Ross 在新聞稿中表示。
「它特別有用，因為你可以移動少量原子形成缺陷，反覆進行以在三維中建構原子排列，這些排列具有可調功能，且系統更穩健，因為缺陷位於表面之下。」
然而，研究人員也警惕所用半導體材料的角色，因為鉻具有獨特電子結構。因此，他們正努力確定該方法適用於哪些其他材料。「在固體內移動原子，能夠在真空條件外空氣中穩定的材料中創造量子特性，」Klein 解釋。「該方法也可擴展至大量原子操控，因此移動數千或數百萬原子以創造人工結構，將代表全新物理。
」該技術為可程式化物質奠基，有望未來開發穩定的量子裝置。研究結果刊登於《Nature》期刊。