开发出这项新技术的科学家表示，这项技术可以将单个原子连续地放置在精确需要的位置，这可能会产生用于制造新材料的设备，以满足量子计算和通信领域的关键需求，而这些需求无法通过常规方式生产。

美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组发明了一种新颖的先进显微镜工具，可以用原子“书写”，将这些原子准确地放置在需要的位置，从而赋予材料新的特性。

“通过在原子尺度上进行研究，我们也在量子特性自然出现和持续的尺度上进行研究，”领导这项研究并担任ORNL纳米相材料科学中心(CNMS)纳米材料表征部门负责人的材料科学家StephenJesse说道。

“我们的目标是利用这种改进的量子行为访问作为未来设备的基础，这些设备依赖于纠缠等独特的量子现象，以改进计算机、创建更安全的通信并增强探测器的灵敏度。”

为了更好地控制原子，研究团队发明了一种称为合成镜的工具，将合成与先进的显微镜技术相结合。研究人员使用扫描透射电子显微镜(STEM)改造成原子级材料操控平台。

合成镜将推动最先进的制造技术，直至材料单个构件的水平。这种新方法允许研究人员将不同的原子放入材料中的特定位置;可以选择新原子及其位置来赋予材料新的特性。

“传统计算机使用比特，比特可以是0或1，并通过翻转这些比特进行计算，”ORNL的材料科学家OndrejDyck说道，他参与了这项研究。“量子计算机使用量子比特，量子比特可以同时是0和1。量子比特也可以纠缠在一起，一个量子比特的状态与另一个量子比特的状态相连。这种纠缠的量子比特系统可以比传统计算机更快地解决某些问题。棘手的部分是让这些精密的量子比特在现实世界中保持稳定并正常工作。

“应对这些挑战的一个策略是在量子力学更自然存在的尺度上构建和操作——在原子尺度上。我们意识到，如果我们有一个可以分辨原子的显微镜，我们也许能够使用同一台显微镜以原子精度移动原子或改变材料。我们还希望能够将原子添加到我们创建的结构中，因此我们需要原子供应。这个想法演变成一个原子级合成平台——合成镜。”

这很重要，因为逐个原子定制材料的能力可以应用于量子信息科学的许多未来技术应用，以及更广泛的微电子和催化领域，并有助于更深入地了解材料合成过程。这项工作可以促进原子级制造，这是众所周知的挑战。

“由于我们现在可以开始将原子放置在我们想要的位置，我们可以考虑创建原子阵列，这些原子的位置足够精确，彼此之间可以相互纠缠，从而共享它们的量子特性，这是使量子设备比传统设备更强大的关键，”戴克说。

这些设备可能包括量子计算机——一种拟议的下一代计算机，其速度可能远远超过当今最快的超级计算机;量子传感器;以及需要单光子源来创建安全量子通信系统的量子通信设备。

“我们不仅仅是移动原子，”杰西说。“我们展示了我们可以将各种原子添加到一种材料中，这些原子以前并不存在，并将它们放在我们想要的位置。目前还没有技术可以让你把不同的元素准确地放在你想要的位置，并拥有正确的键合和结构。有了这项技术，我们可以从原子开始构建结构，设计它们的电子、光学、化学或结构特性。”

概念图显示了一个加热器平台，用于将雾化材料输送到样品中，将扫描透射电子显微镜转换为合成显微镜。图片来源：OndrejDyck/ORNL，美国能源部

这些科学家隶属于纳米科学研究中心和美国能源部科学办公室用户设施CNMS，他们在一年的时间里在科学期刊上发表了四篇系列论文，详细介绍了他们的研究和愿景，首先证明了合成镜可以实现。他们已经为这项技术申请了专利。

“通过这些论文，我们正在重新定义使用电子束进行原子级制造的前景，”戴克说。“这些论文概述了我们认为原子制造技术在不久的将来将走向的方向，以及推动该领域发展所需的概念化变革。”

通过使用电子束来去除和沉积原子，ORNL科学家可以在原子层面上完成直接写入过程。

“这个过程非常直观，”ORNL的STEM小组组长兼研究团队成员AndrewLupini说道。“STEM的工作原理是将高能电子束传输到材料中。电子束聚焦到小于原子间距离的点，然后扫描材料以创建具有原子分辨率的图像。然而，STEM因会损坏成像材料而臭名昭著。”

科学家们意识到，他们可以利用这种破坏性的“缺陷”，将其用作建设性特征，故意制造空洞。然后，他们可以将任何原子放入那个空洞中，也就是他们制造缺陷的确切位置。通过故意破坏材料，他们创造了一种具有不同且有用特性的新材料。

加热器平台的设计目的是将雾化材料输送到样品中，将扫描透射电子显微镜转变为合成显微镜。图片来源：OndrejDyck/ORNL，美国能源部。

“我们正在探索按需创建这些缺陷的方法，以便将它们放置在我们想要的位置，”杰西说。“由于STEM具有原子级成像能力，而且我们研究的是非常薄的材料，厚度只有几个原子，所以我们可以看到每个原子。所以，我们正在实时操纵原子尺度的物质。这就是我们的目标，我们实际上正在实现它。”

为了演示这一方法，研究人员在石墨烯晶格上来回移动电子束，制造出微小的孔洞。他们将锡原子插入这些孔洞中，实现了连续的原子对原子的直接写入过程，从而将锡原子填充到碳原子所在的位置。

“我们相信，使用相对简单的策略，原子级合成过程将成为常规操作。当与自动光束控制和人工智能驱动的分析和发现相结合时，合成镜概念为原子合成过程提供了一个窗口，并为原子级制造提供了一种独特的方法，”杰西说。

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