原子積木構建材料世界

赤緯

原子積木樂園

“為什么我們不能把整個24卷的《大英百科全書》寫在大頭針的針尖上呢？”

上面這個問題，是美國著名物理學家理查德·費曼在1959年12月的一次演講中提出的，但他并不是想擁有一套可隨身攜帶的百科全書，他考慮的是如何操控原子的問題。費曼敢于想象，認為在“了不起的未來”，我們能按照自己的需求操縱每一個原子。

不過在人類歷史的大部分時期，我們使用的東西都是大自然給我們做的。然后，我們找到了提煉和加工它們的方法。例如，我們學會了冶煉金屬，并添加其他元素來制造出像鋼一樣的合金。這些材料給我們提供了從餐具、廚房水槽到噴氣式發(fā)動機等一切很牛的東西。我們甚至成功地設計了能夠控制電流的材料，創(chuàng)造了能為你的智能手機和筆記本電腦工作的微芯片。

目前，在很大程度上，我們使用的原料仍局限于天然礦物，想要獲得新材料，我們得用這些材料來合成，但這阻礙了我們繼續(xù)前行。例如，我們想利用余熱來發(fā)電，但無論我們如何聰明地組合各種原料，我們似乎都無法造出廉價的熱電材料。此外，商用太陽能電池板的轉化效率最高只有20%左右，我們的智能手機常會在關鍵的時候沒電，很顯然我們需要更好的電池材料。

為了創(chuàng)造出我們想要的東西，我們需要用一個一個原子來搭建出新的材料，就像費曼在近60年前夢想的那樣。這如同走進了原子積木樂園一樣，我們可以建造出各種神奇的東西。

那么，我們要做的第一步，就是能抓起原子。

抓起原子

20世紀80年代初期，費曼其實就目睹“了不起的未來”時代的來臨。當時，瑞士的 IBM 蘇黎世研究實驗室的研究人員發(fā)明了一種能力超強的新型顯微鏡，叫做掃描隧道顯微鏡，它利用了一種叫做“隧道效應”的奇特量子力學現(xiàn)象。隧道效應指的是微觀粒子能夠跨越不可能的障礙的現(xiàn)象。一種形象的說法是，一個粒子在旅行中遭遇了一座高山，但它沒有足夠的能量翻過去，按照經典力學，粒子是越不過這座高山的，但是量子力學卻認為，粒子具有一定的概率可以直接穿過這座高山，抵達山的另一面。

IBM的研究人員在一個探針和樣品表面之間施加一定的電壓，并讓金屬探針逐漸接近樣品的表面。他們發(fā)現(xiàn)，當探針和樣品表面之間的間隙距離達到一個原子的寬度時，樣品表面的電子就會因隧道效應從表面離開，抵達探針，這就產生了一個隧道電流。隧道電流的大小，與針和樣品表面之間的間隙距離呈正相關。因此，通過測量隧道電流，就可以計算出探針與表面之間的間隙距離的變化，從而能繪制出樣品表面上原子的模樣。

有了掃描隧道顯微鏡，我們第一次看到了原子，但這只是一個開始。研究人員很快就發(fā)現(xiàn)，掃描隧道顯微鏡可以抓起原子并移動它們。只要讓探針足夠接近樣品表面上的原子，那么它們之間就會出現(xiàn)一種短程的靜電力，這就是范德華力。借助這種力，探針就可以抓住下方的原子，你可以拖動它沿著樣品表面水平移動，將探針抬離樣品表面，這個原子與探針之間的范德華力就消失了，此時原子就會停留在那里。

1989年，位于美國的IBM阿爾馬登實驗室的研究人員，將35個氙原子移到了鎳表面，并拼出了“IBM”三個字母。

盡管這是一個令人印象深刻的實驗演示，但是要想移動成千上萬個原子，并以此來制造出前所未有的新材料，仍有很長的路要走。

夢想的第一步

但在2016年，荷蘭代爾夫特理工大學的桑德·奧特和他的同事開始接近這個目標了。

奧特等人注意到，氯離子很容易在銅表面上移動，他們利用計算機來控制顯微鏡，使其自動掃描和移動銅表面上的6萬個氯離子。結果是，他們制造出了一種信息存儲設備，即每一個氯原子的不同位置都可以代表不同的信息。如果他們的存儲設備能做到1平方厘米，那么就能存儲10T（10240 GB）的數(shù)據(jù)，超過目前所有的存儲設備。

更重要的是，奧特的研發(fā)成果表明，我們正在接近費曼的夢想。奧特表示，如果我們能按照自己的意愿移動原子的話，那么這意味著我們基本上可以開始直接設計我們想要的材料，而不是僅僅局限于大自然給我們的材料。

但他知道，達到這個目標十分困難。最大的問題之一是，要想制造出1克的材料，你必須組裝約1023個原子。用顯微鏡費力地把每一個原子都拖到特定的地方，并一層一層地搭建，這種辦法太慢了。因此，當我們弄清楚如何更快地移動原子的同時，我們應該把精力集中到移動少量原子就能提高或改變材料性能的應用上。

就拿手機里的芯片來說吧，每一個都有數(shù)十億個晶體管，晶體管的功能像水龍頭一樣，打開和關閉電流。現(xiàn)在的晶體管是如此之小，它們容易漏電，這會產生熱量，并降低芯片運行的最高速度。如果你能修改少數(shù)原子，讓每個晶體管都不漏電，那么你就能提高整個芯片的性能。

但對于上面這個應用來說，掃描隧道顯微鏡可能不是我們最好的操作工具，因為它只能操縱表面上的原子。不過，有一種儀器可以操縱材料內部的原子，它就是掃描透射電子顯微鏡。這種顯微鏡是使用電子束透射到材料內部并進行掃描，來得到內部的圖像的。但有時，其電子束還可以輕推內部的單個原子?，F(xiàn)在，有幾個研究團隊正在嘗試利用掃描透射電子顯微鏡來組裝出具有原子級別精度的材料。

該如何排列原子？

不過，還有一個更要緊的問題困擾著我們： 我們不知道該把我們移動的原子如何排列。如果你的目的是創(chuàng)造具有特殊性質的材料，你不能只是隨機安排原子，然后就希望能管用。相反，你首先要在計算機上去模擬新的材料，這正是美國杜克大學的斯特法諾·庫塔羅正在努力完成的目標。

庫塔羅已經開發(fā)出一種軟件，可以在不進入化學實驗室的情況下，快速評估新材料原子排列的化學穩(wěn)定性和物理性能。他已經取得了一些成功。2017年，他的合作者用他的軟件，在電腦上找到了兩種潛在的新型磁性材料，而實驗合成的材料，其性能的確如此。其他研究人員正在使用這種方法，來尋找更好的化學電池和制造太陽能電池的材料。

不過，研究人員在尋找新型磁性材料時，是用了三種元素的原子按照一定的規(guī)律重復排列，然后再讓計算機分析出哪種排列滿足要求，這種辦法可以讓計算機更加容易處理。然而，要想模擬由任意的元素和任意的排列組合成的材料，其排列組合方式數(shù)目巨大，得需要大量的計算，當前的超級計算機都沒辦法完成這種模擬。

用量子計算機來助力

那么，費曼的夢想又要遙遙無期了？不完全是，因為有一種設備能同時進行很多次的模擬，它能很快地找到我們所需要的原子排列。這種設備就是量子計算機。

量子計算機能利用量子力學的怪異特性，來實現(xiàn)經典計算機很難達到的計算能力。在普通計算機中，晶體管只能處于兩種狀態(tài)中的一種——要么是開，要么是關。但量子計算機是基于微觀粒子的量子性質來進行運算的，比如它可以用一個粒子的自旋狀態(tài)，來代表一個基本信息單位，而粒子的自旋既可以是向上，也可以是向下，還可以同時處于向上和向下的疊加態(tài)，這種信息單位就是量子比特，而疊加態(tài)能讓量子計算機同時給出一個問題的多種處理方式。1個量子比特的量子計算機可以同時給出2種處理方式，2個量子比特可以同時給出4種處理方式，3個量子比特可以同時給出8種處理方式……處理能力呈指數(shù)級增長。

如果你有300個量子比特，那么這臺量子計算機會比當前世界上所有計算機的計算能力的總和還要強大。對于某些問題，特別是模擬大量原子如何相互作用，以產生具有特定性質的材料，量子計算機可以輕松解決。前景非常誘人，但問題是，我們還沒有一臺實用的量子計算機，盡管許多公司，比如谷歌和微軟，正在嘗試研制量子計算機。

即使我們擁有了量子計算機，可以為我們找到制造神奇材料的配方，還是有一個巨大的挑戰(zhàn)等待著我們——操控更多個原子。最為直接的辦法，是使用多臺掃描顯微鏡同時進行工作，但是，在實際操作中，探針越多，就越容易受到各種因素的干擾。

當然，掃描顯微鏡的技術正不斷地進步，而且也許過不多久，我們還能想出其他更好的解決方案?？傊?，實現(xiàn)費曼的夢想為期不遠。endprint