光束中的量子實(shí)驗(yàn)室

編譯 王曉濤

電子顯微鏡的進(jìn)步徹底改變了我們在原子尺度上對材料的成像、描述和操作方式。

科學(xué)史上，關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)、元素組成、材料屬性與原子排布的關(guān)系以及原子排布是如何影響能流或被能流影響這樣的問題，可以說比比皆是。對于這些問題，從與原子理論相關(guān)的哲學(xué)領(lǐng)域，到證明原子存在的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，再到現(xiàn)代量子理論領(lǐng)域，我們給出了各種各樣的答案。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)測量是這些答案的重要根基。

美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

最近，電子顯微鏡技術(shù)明確回答了以下問題：我們能看到原子嗎？原子有哪些行為？原子間的相互作用如何產(chǎn)生各種屬性、形式和功能？目前，凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)正朝著更直接和更實(shí)際的目標(biāo)轉(zhuǎn)變——即試圖理解原子的功能并控制它們的行為。

現(xiàn)代原子論的起源可以追溯到古希臘，不可毀滅、不可分割的原子模型在那時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)。古希臘人假設(shè)，固體由具有多個(gè)掛鉤和開口的原子組成以確保它們的結(jié)合足夠牢固（見圖1），而液體則由容易移動(dòng)的光滑原子組成。盡管從現(xiàn)代科學(xué)的角度來看，這樣的理論過于簡單化，但德謨克利特將物質(zhì)的特性歸因于各個(gè)成分間相互作用的思想是很正確的。他巧妙地指出，構(gòu)筑宏觀世界的磚石只是一些基本成分：“甜和苦，熱和冷，各種顏色，原子和虛空。”

圖1 為了描述原子間的相互作用，我們將基本的掛鉤-開口模型發(fā)展為簡單的電子-原子核模型，之后又更新為現(xiàn)代的量子理論

然而，在德謨克利特的時(shí)代，原子理論只不過是眾多相互競爭的世界觀中的一個(gè)，它的理論基礎(chǔ)是哲學(xué)而非實(shí)驗(yàn)測量。一些波斯科學(xué)家在12 至14 世紀(jì)的著作中暗示了原子的模型，盡管他們的理論仍然缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)黃金時(shí)代也為全世界提供了代數(shù)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)和地理學(xué)的許多基本知識(shí)。

13世紀(jì)時(shí)對原子模型的暗示

沒有什么是一成不變的，一切都在運(yùn)動(dòng)

粒子附著在一起，直到土地和天空被創(chuàng)造出來

我們開始了解粒子，賦予它們名字和意義

這些熟悉的粒子再一次淹沒在漩渦中

彼此分裂，變成另一種形式

我看到太陽從幾十萬個(gè)粒子的組合中出現(xiàn)

眾多粒子的結(jié)構(gòu)和秩序促使了世界的形成

——Jalāl ad-Dīn ar-Rūmī

從猜想到可視

現(xiàn)代原子理論的誕生可以追溯到1800年左右約翰·道爾頓（John Dalton）的工作。他通過實(shí)驗(yàn)觀察得到了化合物中元素的恒定比例以及氣體的物理性質(zhì)等結(jié)果。在道爾頓公布結(jié)果后的幾十年里，懷疑的論調(diào)一直很強(qiáng)烈。例如，1871年，埃德蒙·米爾斯 （Edmund Mills） 嚴(yán)厲提出：“原子理論沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，與自然現(xiàn)象也不相符，是一種物質(zhì)至上的謬誤?！?/p>

正如弗里曼·戴森（Freeman Dyson）的名言：“科學(xué)起源于兩種古老傳統(tǒng)的融合。一種是古希臘的哲學(xué)思想傳統(tǒng)，另一種是歷史更為悠久并在中世紀(jì)歐洲盛行的工匠傳統(tǒng)。哲學(xué)提供了科學(xué)的概念，而工匠提供了研究的工具。”事實(shí)上，科學(xué)研究的工具最終解決了這場爭論。愛因斯坦對微觀布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋是驗(yàn)證原子猜想的關(guān)鍵一步。

20世紀(jì)早期的物理學(xué)提供了物質(zhì)由原子構(gòu)成的確鑿證據(jù)，那時(shí)的物理學(xué)家也對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的觀測。在那個(gè)傳奇一般的時(shí)代，周期性晶體結(jié)構(gòu)的X射線散射實(shí)驗(yàn)無疑是原子理論發(fā)展的一個(gè)高潮，其發(fā)現(xiàn)者布拉格父子共同獲得了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理想周期性結(jié)構(gòu)可以在互易空間中表示固體，這塑造了以后的物理學(xué)家的思維方式。

原子的存在使我們思考這樣一個(gè)問題：人們可以一次只看到一個(gè)原子嗎？這個(gè)問題在20世紀(jì)中葉得到了解答。我們通過能清晰檢測電子發(fā)射的場離子顯微鏡獲得了第一批原子圖像。原子探針斷層掃描、掃描隧道顯微鏡 （STM） 和電子顯微鏡等技術(shù)也具有同樣的工作原理（見圖2）。

圖2 原子分辨率顯微鏡技術(shù)利用多種機(jī)制探測材料。在場離子顯微鏡（左）中，吸附的氣體分子（球體）被電離并被吸引到探測器上。原子探針斷層掃描利用的也是類似的原理。在掃描隧道顯微鏡（中）中，顯微鏡尖端在樣品上掃描，并監(jiān)測隧道電流以繪制樣品的表面圖像。在掃描透射電子顯微鏡（右）中，聚焦電子束從薄樣品中穿過

原子組裝的探索者

原子物理學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論方面的進(jìn)展促使科學(xué)家對原子可視化和原子組裝技術(shù)進(jìn)行探索。1959年，理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在著名的演講《底下的空間還很大》中指出，如果我們想要控制單個(gè)原子，就需要更強(qiáng)大的電子顯微鏡，以及處理和存儲(chǔ)信息的更強(qiáng)能力?，F(xiàn)在，許多人開始意識(shí)到，原子控制技術(shù)可以為信息處理帶來更進(jìn)一步的發(fā)展。量子信息科學(xué)利用物質(zhì)和能量的量子化性質(zhì)以及相關(guān)的糾纏和疊加現(xiàn)象，來解決目前棘手的計(jì)算問題。單個(gè)原子處于量子位，如果正確排列和編碼原子，就可以通過大規(guī)模并行的方式接收、處理和傳輸量子信息。

費(fèi)曼說：“如果有我不能制造出來的東西，那一定是我還沒有理解它?！边@句話清楚地闡述了原子物理學(xué)可能面臨的下一個(gè)重大問題：如何逐個(gè)原子創(chuàng)造具有預(yù)定義功能的結(jié)構(gòu)？20世紀(jì)80年代，埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）提出了一個(gè)具有足夠復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的原子機(jī)器的概念。由于約翰·馮·諾依曼（John Von Neumann）的工作，這個(gè)想法已經(jīng)在科幻小說的世界里牢牢地占據(jù)了一席之地，比如德雷克斯勒的灰霧、阿拉斯泰爾·雷諾茲（Alastair Reynolds）的納米組裝機(jī)，以及電視節(jié)目《浩瀚無垠的神秘原分子》。然而，盡管在物理上看起來可行，但這類機(jī)器實(shí)際投入應(yīng)用的時(shí)間仍然遙遙無期。在戴森的理論框架下，分子機(jī)器和逐個(gè)原子組裝的思想已經(jīng)成熟，但科學(xué)家仍然缺乏必要的技術(shù)和工具。

掃描探針

20世紀(jì)80年代，掃描探針顯微鏡的出現(xiàn)為納米級(jí)成像和原子級(jí)組裝領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。再加上蓋爾德·賓尼（Gerd Binnig）和海因里?！ち_雷爾（Heinrich Rohrer）于1981年發(fā)明的STM，表面科學(xué)領(lǐng)域的一系列問題從此都有了新的解決方案。這些儀器還預(yù)示著對原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的桌面規(guī)模儀器的出現(xiàn)。

STM的基本工作原理是基于電子隧穿的量子力學(xué)現(xiàn)象。鋒利的尖端靠近表面，施加的電壓使電子穿過間隙，從而產(chǎn)生反映表面形狀和電子特性的可測量電流。STM使量子物理學(xué)變得觸手可及。幾年后，原子力顯微鏡（AFM）誕生，它使用安裝在可彎曲懸臂上的尖端探測磁、電、傳輸過程和機(jī)電現(xiàn)象，為探索納米世界打開了大門。

1989年，唐·艾格勒（Don Eigler）在銅表面上的氙原子中刻印字母I、B、M ，展示了使用STM 探針的原子級(jí)操作。他的工作對科研領(lǐng)域和普羅大眾都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，這樣的操作首次展示了單原子可視化以及控制單原子的能力——這是對費(fèi)曼提出的設(shè)想的直接回應(yīng)。

在艾格勒的實(shí)驗(yàn)之后的二十多年里，由于建造和操作低溫STM機(jī)器存在困難，也缺乏直接的實(shí)際應(yīng)用，該領(lǐng)域一直十分冷門。但現(xiàn)在量子計(jì)算和量子信息系統(tǒng)正處于科學(xué)研究的前沿，基于STM的單原子操作是少數(shù)可以創(chuàng)建原子級(jí)精確結(jié)構(gòu)的方法之一。例如，凱恩量子計(jì)算架構(gòu)對精確定位同位素純化硅內(nèi)部的單個(gè)原子就有很高的要求。幾個(gè)科研小組在制造和生產(chǎn)此類設(shè)備方面取得了令人興奮的進(jìn)展，特別是由澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）及同事開發(fā)的使用單個(gè)磷原子的設(shè)備。

與上述結(jié)果一樣令人印象深刻的是，原子操作仍然只能發(fā)生在超高真空室內(nèi)的表面上。在現(xiàn)實(shí)世界中，大氣分子和表面污染會(huì)迅速壓垮單原子設(shè)備。顯然，解決方案是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，但這個(gè)過程也有其自身的困難——這需要復(fù)雜的表面化學(xué)和集成策略。因此，問題仍然存在：是否可以可視化材料中的所有原子，探索它們的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和功能，并將它們排列成所需的模式？

掃描光束

STM的主要限制是使用能量很低的電子，這些電子在幾何上被尖端限制到遠(yuǎn)低于其特征波長的長度。另一種解決方法方法是減少電子的波長，類似于光學(xué)成像。透射電子顯微鏡 （TEM） 由馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）于20世紀(jì)30年代發(fā)明。魯斯卡也因其工作于 1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在該技術(shù)中，相對較大的樣品區(qū)域被具有接近平行軌跡的電子束照亮。一系列電磁放大鏡放大透射波，在熒光檢測器屏幕上形成圖像。

掃描透射電子顯微鏡（STEM）與TEM密切相關(guān)，單個(gè)顯微鏡通?？梢栽谶@兩種模式下工作。STEM和掃描電子顯微鏡（SEM）的發(fā)明很大程度上歸功于曼弗雷德·馮·阿登（Manfred von Ardenne）在20世紀(jì)30年代的工作；現(xiàn)代形式的 STEM 由阿爾伯特·克魯（Albert Crewe）在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了優(yōu)化。

STEM可以被認(rèn)為上下翻轉(zhuǎn)和高度聚焦的TEM。光學(xué)放大器件位于樣品前面，它們將原子大小的電子束（探針）投射到樣品上，通過記錄光束在樣品上掃描時(shí)的散射強(qiáng)度形成圖像。相比TEM，STEM在成像方面的主要優(yōu)點(diǎn)是：高角度散射的電子給出的圖像主要取決于原子序數(shù)Z。因此，Z對比圖像可以近似解釋為直接映射樣品中的原子核的位置。這幾項(xiàng)技術(shù)上的進(jìn)步使得現(xiàn)代STEM儀器成為可能。其中，最主要的技術(shù)進(jìn)步是像差校正。

關(guān)于最終可實(shí)現(xiàn)何種成像分辨率的問題，科學(xué)家至今仍有爭議。根據(jù)光學(xué)顯微鏡的原理，照明波長應(yīng)該小于要分辨的物體的大小，這似乎是順理成章的事情。因此，高能電子束的短德布羅意波長（通常為幾皮米）和使用電場或磁場精確聚焦這些光束的能力，使電子顯微鏡成為直接成像單個(gè)原子的最有前景的儀器。（有趣的是，發(fā)明者魯斯卡和克諾爾當(dāng)時(shí)似乎并沒有意識(shí)到電子的波性質(zhì)。）

然而，在實(shí)踐中，現(xiàn)代電子顯微鏡的鏡頭總是會(huì)出現(xiàn)像差，這些缺陷是限制設(shè)備分辨率的主要因素。在20世紀(jì)30年代和40年代，奧托·謝爾澤（Otto Scherzer）證明，像差是不可避免的。但他也指出了幾種可以減輕像差的方法。最有效的方法是使用一系列具有不同對稱性的電磁場來塑造和修改光束。因此，當(dāng)代的像差校正器是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其顯微鏡柱上有額外的元素。正是因?yàn)橄癫钚Ｕ鳎恼麻_頭的圖像中的柱子才會(huì)那么高。

事實(shí)證明，建造像差校正器非常繁瑣，以至于多年來人們一直擔(dān)心，這是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。每個(gè)鏡頭都必須精確對齊、動(dòng)態(tài)調(diào)整，以補(bǔ)償變化的外界條件，同時(shí)保持極其穩(wěn)定的狀態(tài)。在單個(gè)原子的成像過程中，即使是雜散場、混亂電源或氣壓變化造成的微小不穩(wěn)定性也可能是災(zāi)難性的。變量的數(shù)量之多使得科學(xué)家難以跟蹤所有元素，因此定量化計(jì)算機(jī)控制和校準(zhǔn)必不可少。

像差校正器在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初開發(fā)成功。它徹底改變了電子顯微鏡領(lǐng)域，單個(gè)原子的成像現(xiàn)在已經(jīng)成為常規(guī)了。為了表彰這一進(jìn)步，2020年的卡弗里獎(jiǎng)授予了兩項(xiàng)科研成果——一項(xiàng)由昂德里·克里瓦那克（Ondrej Krivanek）領(lǐng)導(dǎo)的 STEM項(xiàng)目，另一項(xiàng)則是由克努特·烏爾班（Knut Urban）、哈拉爾德·羅斯（Harald Rose）和馬克西米利安·海德爾（Maximilian Haider）領(lǐng)導(dǎo)的TEM項(xiàng)目。

除了提供相關(guān)的原子核位置的結(jié)構(gòu)信息外，通過樣品傳輸?shù)氖娮舆€會(huì)與樣品的電子相互作用。在光束和樣品電子交換能量后，電子光譜儀中的磁棱鏡可以將出射光束分散到對位置十分敏感的探測器上，給出電子能量損失譜 （EELS）。EELS可以提供有關(guān)成分、化學(xué)鍵和電氣結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

EELS的能量分辨率主要受電子束能量擴(kuò)散的限制。我們可以在電子到達(dá)樣品之前去除能量過多或過少的電子來減少擴(kuò)散。這個(gè)去除過程稱為電子單色，從電子顯微鏡的發(fā)展早期就已開始使用，并取得了令人矚目的結(jié)果。但它也減少了光束中的電子數(shù)量，并且由于實(shí)驗(yàn)限制，早期的去除過程通常會(huì)降低信號(hào)的空間分辨率。

新一代電子單色儀，特別是由克里瓦那克及其同事開創(chuàng)的電子單色儀已經(jīng)減輕了這些問題。與像差校正器配合使用時(shí)，這些設(shè)備能夠以前所未有的能量和空間分辨率進(jìn)行微分析。鑒于EELS反映了材料的振動(dòng)和電子特性，單色改進(jìn)為生物、化學(xué)和物理應(yīng)用開辟了新的前景。對結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行原子級(jí)的測量成為可能，并且正在不斷發(fā)展當(dāng)中。

正如STEM的先驅(qū)人物米克·布朗（Mick Brown）在他1997年的論文中描述的那樣，具有這些功能的像差校正STEM設(shè)備本質(zhì)上是“顯微鏡中的同步加速器”。在之后的幾年中，實(shí)驗(yàn)也證明了其獲得原子級(jí)分辨率光譜和從單個(gè)原子中獲得光譜的能力。

從影像到知識(shí)

在過去十年左右的時(shí)間里，STEM 在分辨率、功能和靈敏度方面的進(jìn)步已經(jīng)將該技術(shù)從單純的成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远糠治龅墓ぞ摺Ｋ芤云っ准?jí)精度表征原子結(jié)構(gòu)，觀察外部刺激下的結(jié)構(gòu)演變，并使用 EELS 給出有關(guān)局部功能的信息?，F(xiàn)在，檢測器技術(shù)的發(fā)展允許在每個(gè)探頭位置記錄衍射圖案。因此，以原子分辨率記錄散射信息從而生成具有實(shí)空間和倒易空間信息的多維數(shù)據(jù)成為可能。

新的數(shù)據(jù)流對記錄和分析的方法提出了挑戰(zhàn)。與體積散射法信息在介觀體積上被平均不同，STEM 可以從多個(gè)分離的位置獲得不同的數(shù)據(jù)。因此，它需要可以解釋和壓縮信息并將其與宏觀性質(zhì)和功能相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)工具。盡管在凝聚態(tài)物理學(xué)中不常見，但這種方法經(jīng)常用于其他領(lǐng)域，例如天文學(xué)。如果完全采用這樣的方法，我們可以得到有關(guān)固體的化學(xué)和物理功能的大量信息，范圍從缺陷平衡和固態(tài)反應(yīng)到鐵質(zhì)、電荷有序和磁畸變的性質(zhì)。

定量光譜學(xué)的進(jìn)步為通過 EELS、多維散射數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)圖像中的光譜特征探索量子現(xiàn)象打開了大門。將大量的數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)并濃縮為可壓縮、可解釋的信息，需要將材料功能與簡化的描述聯(lián)系起來，還需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及不確定性進(jìn)行反演，以恢復(fù)我們需要的物理功能。

一旦這種數(shù)據(jù)分析方法可用，研究人員就可以探索材料功能的原子級(jí)起源。當(dāng)然，對于許多現(xiàn)象，這樣的分析過程并不容易。例如，在聲子和等離子體測量中，局部準(zhǔn)粒子比光束大得多，因此在光束尺度上，圖像背后的相互作用是整體的而非局部的。同樣，在多維 STEM 中，測量過程將受到光束形狀和像差的強(qiáng)烈影響。

所有這些困難都是可以克服的。而且，按照費(fèi)曼的邏輯，可能會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展——即從理解預(yù)先存在的原子配置轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸庾R(shí)地對其進(jìn)行逐個(gè)原子構(gòu)建。

從實(shí)驗(yàn)室到工廠

在像差校正出現(xiàn)之前，在 TEM 和 STEM 中實(shí)現(xiàn)更好分辨率的主要方法是增加顯微鏡中使用的加速電壓，從而提供更短的電子波長。這種方法的問題在于，在一次碰撞中可以直接傳遞給原子核的動(dòng)能增加了，這增加了對樣品的損害。像差校正器的出現(xiàn)，使 STEM 成為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理和高分辨率光譜學(xué)的首選技術(shù)。而且，更重要的是，它使我們可以在各種條件下對單個(gè)原子進(jìn)行常規(guī)可視化。

在過去的幾年中，低壓像差校正顯微鏡的進(jìn)步引導(dǎo)了對光束敏感材料的眾多研究。它們還為探索光束引起的材料微變化和局部化的機(jī)制打開了大門，而這些過程通常發(fā)生在原子或單化學(xué)鍵的尺度上。在許多情況下，變化發(fā)生得非常慢，以至于系統(tǒng)的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都可以可視化。我們可以通過調(diào)整光束參數(shù)（例如電壓和電流）來控制感應(yīng)變化的速率，這樣的措施相當(dāng)有用。這些能力促使研究人員積極追求直接的原子制造技術(shù)：將電子束與基于圖像或光譜的反饋相結(jié)合，成為操縱原子和創(chuàng)建原子級(jí)結(jié)構(gòu)的一種手段。

圖3 使用電子束可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)操作。這里，石墨烯片中的硅原子簇被創(chuàng)建并得到了修正

基于STEM和STM的原子級(jí)操作策略可以說各有優(yōu)勢。STEM中的電子束可以引起材料內(nèi)部的變化，而STM僅與最頂層的原子相互作用，因此需要干凈的原子級(jí)平面。STEM還能提供比STM更直接的原子結(jié)構(gòu)圖像，因?yàn)樗鼘υ雍耸置舾?，而STM則可以提供電子密度圖?；赟TM的原子制造需要表面科學(xué)策略來鈍化、去鈍化以及保護(hù)表面。STEM可以在樣品周圍提供更高水平的環(huán)境控制——引入氣體甚至液體來誘導(dǎo)和控制一系列材料轉(zhuǎn)變。在實(shí)踐中，大多數(shù) STEM樣品必須是相對較薄的薄膜，通常小于100納米。這是研究和開發(fā)二維材料的完美實(shí)驗(yàn)空間，例如石墨烯或三維材料的超薄懸浮層。與STM不同，STEM可以在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高分辨率成像和光譜學(xué)，因此允許使用溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)來允許或禁止某些轉(zhuǎn)換。最新的STEM技術(shù)允許人們在幾開爾文到超過1 000開爾文之間的任何溫度狀態(tài)下進(jìn)行操作。人們在低溫環(huán)境下研究量子現(xiàn)象；而在高溫環(huán)境中，缺口和摻雜成分可以很容易擴(kuò)散，也更容易被光束移動(dòng)。

迄今為止，我們可以進(jìn)行以下四種不同類型的操作：控制二維材料中的單個(gè)空位、原子和多原子復(fù)合物；控制三維材料中的單個(gè)重原子；空位有序或局部非晶-結(jié)晶轉(zhuǎn)變的相變；添加或移除材料。在堆疊和扭曲的二維材料的背景下，可能會(huì)出現(xiàn)有趣的結(jié)果，比如局部光束引起的變化可能導(dǎo)致摩爾紋材料的出現(xiàn)，這為鄰近效應(yīng)相關(guān)的物理學(xué)開辟了新的前景。

值得注意的是，電子束修正可以在從納米到埃的長度尺度上進(jìn)行，這樣的操作跨越了傳統(tǒng)光刻和單原子操作所覆蓋的范圍。一些修正類似于大規(guī)模電子束制造或傳統(tǒng)光刻中可能出現(xiàn)的修飾。原子光束定向的重新定位可能最類似于使用STM移動(dòng)原子并組裝多原子結(jié)構(gòu)的過程。

光束中的實(shí)驗(yàn)室

在不久的將來，研究人員或許能夠逐個(gè)原子修改材料，探索和定義它們的量子特性，并在光束中實(shí)現(xiàn)所謂的量子實(shí)驗(yàn)室。這種能力代表著由STEM進(jìn)步帶來的納米科技的融合與創(chuàng)新。我們將能夠以近原子分辨率實(shí)現(xiàn)重要的電、磁和光學(xué)特性的可視化，并將增加對反應(yīng)、局部環(huán)境和化學(xué)物質(zhì)的控制能力。將這些新興能力與提供實(shí)時(shí)反饋和分析的機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步相結(jié)合，可以讓我們從控制原子的過程中實(shí)現(xiàn)某些物理功能——這是納米和原子尺度科學(xué)的一場革命。

光束實(shí)驗(yàn)室在變得逐漸普遍、常規(guī)和容易理解的過程中，甚至有可能一步步進(jìn)入制造業(yè)?！肮馐械墓S”可能成為量子信息科學(xué)的設(shè)備制造及應(yīng)用開發(fā)流程的關(guān)鍵組成部分（見圖4）。

圖4 光束中的實(shí)驗(yàn)室將許多功能集成到一個(gè)設(shè)備中。a.在微觀尺度上，激光可以加熱、雕刻、分析或激發(fā)材料。b.在原子尺度上，可以用電子束插入并操縱單個(gè)原子。電極可用于控制或測量納米器件

科技的進(jìn)步需要多個(gè)學(xué)科的廣泛整合。盡管在原子工程系統(tǒng)中使用量子器件、探索量子現(xiàn)象是電子束操縱的直接目標(biāo)，但此類器件的創(chuàng)建需要STEM和半導(dǎo)體技術(shù)的集成。

隨著表面化學(xué)控制變得越來越重要，我們對樣品制備的要求也更加苛刻。許多相關(guān)的技術(shù)限制在其原本所在領(lǐng)域是眾所周知和可被理解的，但在電子顯微鏡領(lǐng)域，我們還并沒有對此產(chǎn)生充分的認(rèn)知。我們需要結(jié)合表面科學(xué)的研究方法，輸送和控制摻雜成分。最終，真正的原子級(jí)制造過程可能需要結(jié)合和利用具有不同優(yōu)勢的三種方法：STM、STEM和傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)。

數(shù)據(jù)和信息處理設(shè)備也是必不可少的。正如計(jì)算機(jī)控制對于像差校正至關(guān)重要一樣，對于光束實(shí)驗(yàn)室的功能，它也同樣不可或缺，比如具有自動(dòng)漂移校正的實(shí)時(shí)光束控制、基于壓縮傳感和非線性的低劑量成像掃描，以及基于深度學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)圖像分析和反饋。數(shù)據(jù)傳輸率、中央和圖形處理單元的可用性以及實(shí)時(shí)反饋是對儀器開展進(jìn)一步設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素。

電子束制造的成品是否可以按比例放大從而得到實(shí)際應(yīng)用？這也是個(gè)很有意思的問題。這樣的系統(tǒng)似乎具有比掃描探針的操作低得多的固有延遲。但即使對每束電子每秒進(jìn)行數(shù)十或數(shù)百次操作，這樣的技術(shù)也很難應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

在量子系統(tǒng)中，不多的成分就能產(chǎn)生真正的影響。有時(shí)，幾種常見的元素就足夠了。在某些情況下，預(yù)計(jì)大約50個(gè)無錯(cuò)誤的量子位就可以與最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)相抗衡。就像酶催化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)的復(fù)制功能一樣，基本元素的原子制造和基于化學(xué)復(fù)制的結(jié)合可能會(huì)為大規(guī)模生產(chǎn)開辟一條新的道路。

同樣重要的是光束-固體相互作用的基礎(chǔ)理論的發(fā)展。盡管支撐STEM圖像和EELS形成的電子散射理論得到了很好的發(fā)展，但電子束引起的固體變化仍然存在很多未知。已知能量的電子能夠以原子級(jí)精度傳遞到晶格的選定部分——盡管目前沒有等效的垂直分辨率——但我們?nèi)圆磺宄@一過程可能引起的變化類型。多階段過程包括電子和原子核之間的能量轉(zhuǎn)移，以及潛在的局部鍵合、離域?qū)щ娮酉到y(tǒng)和核心電子激發(fā)的動(dòng)態(tài)演化。對于潛在的機(jī)制，我們很難建模，因?yàn)樗鼈兛赡芸缭蕉鄠€(gè)數(shù)量級(jí)的能量和時(shí)間。

逐個(gè)原子創(chuàng)建量子結(jié)構(gòu)，將其可視化，并在光束實(shí)驗(yàn)室中探索它們的功能，這些可能的操作使得該領(lǐng)域十分迷人。我們的操作越精確，對這一領(lǐng)域的理解就越深。

資料來源 Physics Today