作者：宋鳳麒、戴慶、張敏昊（分別係南京大學教授、中國科學院國家納米科學中心研究員、南京大學特聘副研究員）

　　智能化、數字化、自動化……未來製造業(ye) 會(hui) 是什麽(me) 樣？科學家們(men) 如今有了一個(ge) 新的選擇：原子製造。原子製造就是逐一精確地操控原子去製造產(chan) 品，構築原子級細銳、精準、完美而且具備超常規物性的產(chan) 品。有人說，這可能是人類改造物質世界的終極能力之一。如今，這個(ge) 聽上去有些科幻的技術，正逐步照進現實。

　　　構築原子級細銳、精準、完美，且具備超常規物性的產(chan) 品

　　什麽(me) 是原子製造？顧名思義(yi) ，就是以原子為(wei) 原料製造所需的材料和器件產(chan) 品。它是近來被高度關(guan) 注的原子級製造技術體(ti) 係中的核心部分之一，將史無前例地實現對原子的逐一精確操控，將原子按需壘砌，構築原子級細銳、精準、完美，而且具備從(cong) 物理上遠超常規塊材物性的產(chan) 品。微納製造已成為(wei) 耳熟能詳的高新技術，原子製造將會(hui) 成為(wei) 微納製造後人類製造技術繼續微縮發展的趨勢，也將成為(wei) 新物質創製中的極限。

　　我們(men) 需要強調的是，原子製造應是原子級的通用化技術體(ti) 係，具有顛覆性意義(yi) 。絕非是傳(chuan) 統的納米化製造，也不是現在製造技術的線性、體(ti) 係化發展。

　　可以想象，原子製造有非常廣闊的應用前景。比如以下兩(liang) 個(ge) 應用場景：

　　極限集成芯片與(yu) 未來信息器件。當今微納製造的芯片能力正在趨於(yu) 極限，而原子製造能夠突破這一極限，甚至有可能在集成電路中實現量子計算。一方麵，如果我們(men) 突破了原子製造技術，讓芯片特征尺度沿著微納製造的路線繼續縮小，就可以獲得器件性能的千百倍提高。根據公開的數據，IBM的2納米工藝每平方毫米集成了3.33億(yi) 個(ge) 晶體(ti) 管，也就是在100納米×100納米的麵積上集成了3.3個(ge) 晶體(ti) 管。如果我們(men) 能實現單原子的壘砌、操控、存儲(chu) 和計算，每個(ge) 原子不到0.5納米，當代芯片的集成度還有3-5個(ge) 數量級的提升空間，業(ye) 已證明，這種芯片還是存算一體(ti) 的智能芯片。另一方麵，單原子器件量子相幹性特別好，有可能讓器件尺寸遠遠小於(yu) 量子相幹長度。這將帶來一個(ge) 重要的效果：在一個(ge) 高相幹的量子體(ti) 積裏麵，有可能出現成百上千的高質量的量子邏輯比特。很多人相信，50多個(ge) 高質量的量子邏輯比特就可以實現超越經典的計算能力，實現量子計算機對傳(chuan) 統計算機的量子優(you) 勢。我們(men) 知道，量子技術的比特數實際上是一個(ge) 維度，所以從(cong) 50位到上千位不是信息量增加了20倍，而是維度上的增加，因而有可能出現計算能力的巨大上漲，這樣1毫米大的器件的計算能力，就有可能超過一個(ge) 當代的超算中心。

　　人工材料創製與(yu) 未來機體(ti) 定製。曾有測算，一種新材料從(cong) 設計到應用開發需要18年；而以往的研究告訴我們(men) ，可能要上千個(ge) 材料才有1個(ge) 有應用價(jia) 值。很多化學家和材料學家可能終其一生都無法獲得真正具有應用價(jia) 值的新材料。但如果人類能實現原子製造，那就可以用原子壘砌，避開部分困難的合成路徑，直接搭建分子和材料，從(cong) 而形成一種快速製備新物質和新材料的物理路線，工程化地加速新材料的開發。這最起碼可以讓研究人員在高效合成探索之前就可以知道這些材料的基本物性，這將極大地節約科學家們(men) 的精力！我們(men) 可以工程化地設計、合成，加上檢測相互迭代，每年都開發出成千上萬(wan) 的新材料，使人類的材料進入原子定製的時代。而類似的技術如果在尺度和效率上持續突破，人類甚至有可能實現器件和機體(ti) 的定製。

　　　從(cong) 操控技術到科學原理，都麵臨(lin) 重大挑戰

　　從(cong) 原子底層實現自由定製的未來非常美妙，然而，科學家們(men) 也不得不承認，原子製造太難了，無論是操控技術、科學原理還是製度建設都麵臨(lin) 著重大的挑戰。我們(men) 僅(jin) 以原子製造的一個(ge) 典型動作——原子的定位和壘砌來說明其難度。

　　首先，操控技術上需要極致精巧。在宏觀的工件上定位一個(ge) 原子，相當於(yu) 在地球赤道上找到一塊糖；逐個(ge) 壘砌原子，相當於(yu) 反複多次找到這塊糖，並且在這個(ge) 位置上麵精確地逐個(ge) 放糖。要分清壘砌了一個(ge) 原子還是兩(liang) 個(ge) 原子，就相當於(yu) 達到分辨約為(wei) 10-25千克質量的精巧控製能力。這談何容易！更不要說，壘砌一個(ge) 原子根本不夠，我們(men) 需要一個(ge) 線程甚至多個(ge) 線程壘砌原子，實現效率、規模更是難上加難！

　　其次，科學原理上遇到挑戰。在一個(ge) 自由體(ti) 係中，壘砌100個(ge) 原子，從(cong) 熱力學來看，不是線性的100個(ge) 原子累加，而是隨著原子數的增加，麵臨(lin) 著體(ti) 係熵非線性急劇上漲。簡單點說，在第1個(ge) 原子上壘砌第2個(ge) 原子，壘砌位置從(cong) 能量上看隻有一個(ge) 可能，但當壘砌到第100個(ge) 原子的時候，可能有數百萬(wan) 種相同能量優(you) 先級的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構型產(chan) 品的可能性將逼近零！這就意味著原子製造對外界控製的巨大需求！更不要說，尺寸更小以後，原子結構的量子特征將帶來更多的科學挑戰了。

　　　初探原子製造的基礎已經具備，並有望支撐產(chan) 業(ye)

　　科學家們(men) 對原子製造的未來充滿信心。原子製造雖然是未來技術，但是我們(men) 可以將其劃分為(wei) 多個(ge) 階段，當前就能找到幾個(ge) 確定的路線初探原子製造，而且可能有用。以原子團簇為(wei) 例，雖然從(cong) 控製原子團簇的原子數目、控製原子結構到最終的高效智能定製，整個(ge) 技術的發展可能需要上百年，但探索過程中的進步，哪怕是一些初級技術，都有巨大的價(jia) 值和很好的產(chan) 業(ye) 化前景。舉(ju) 幾個(ge) 近年來或將可能初探的原子製造範例。

　　——原子操縱與(yu) 分子手術。1990年，IBM公司的科學家利用掃描隧道顯微鏡（STM）操縱原子撰寫(xie) 了“IBM”字形，我國很快也撰寫(xie) 出了“中國”字形。到今天，中國科學院和很多大學的實驗室已經在大批量地開展原子操控，修整和製備全新的分子，已經可以操控冷原子製備冷分子。2022年，美國科技公司已經實現原子精度圖案的批量製備，圖案分辨率可達0.768納米。

　　——原子團簇材料與(yu) 裝備。當代初級階段的原子數控製就有很大的價(jia) 值：人類發現的C60已經成為(wei) 當今光伏產(chan) 業(ye) 中的一個(ge) 核心材料；南京原子製造研究所能讓矽、鎳等團簇粉體(ti) 的焊接、燒結溫度從(cong) 1400攝氏度下降到400攝氏度甚至更低；實現半導體(ti) 注入深度降到5納米以下；實現選鍵式的表麵處理等等，這些已經部分開始產(chan) 業(ye) 化。

　　——單原子晶體(ti) 管。2002年美國康奈爾大學報道了第一個(ge) 單原子晶體(ti) 管的原型器件；同年美國哈佛大學等單位報道了類似的器件工作；2012年，澳大利亞(ya) 新南威爾士大學宣布基於(yu) STM技術製造出矽基磷單原子晶體(ti) 管；2022年，他們(men) 又製造出世界上第一個(ge) 原子級量子集成電路，利用10個(ge) 量子點（每個(ge) 量子點約含25個(ge) 磷原子）為(wei) 核心的電路進行了量子模擬。2020年，我國南京大學等單位也報道了基於(yu) 三端晶體(ti) 管架構的單原子存儲(chu) 晶體(ti) 管，其中利用柵壓調控單個(ge) Gd原子的位置；2022年，同樣的思路廈門大學等單位又演示了室溫的14種布爾邏輯操作；最近南方科技大學等單位在沿著澳大利亞(ya) 團隊的路線開拓，並正在探索集成的可能。

　　——原子層後摩爾芯片。原子層器件具有天生的原子級銳利，因為(wei) 沒有粗糙度的影響，所以可以保持理想的電子遷移率，非常適於(yu) 疊層，可以進一步提高器件的集成度。這一路線近年來受到了英特爾、台積電和國際微電子中心等業(ye) 界單位的關(guan) 注，已經演示了萬(wan) 門級晶體(ti) 管電路，我國在這一領域也取得很多的進展。

　　應該說，在探索原子製造的過程中，我們(men) 會(hui) 不斷探索“完美工件、定製材料、量子信息、機體(ti) 製造”的極限，每一個(ge) 階段都有全新的應用場景，通過持續的技術革新，源源不斷地獲得更高性能的產(chan) 品。

　　　在原子製造新賽道上，各國站在同一起點

　　其實，對科技界而言，原子製造並不是新事物——1986年，美國科技智庫就提出，原子製造技術與(yu) 人工智能可以並稱為(wei) 對人類未來具有根本意義(yi) 的兩(liang) 大技術。但其時，人類還並不具備這樣的能力。到了21世紀，科學技術的迅猛發展讓科學家們(men) 看到了發展原子製造的可能和契機。

　　筆者認為(wei) ，原子製造將是所有國家的必然選擇。它史無前例地實現對原子的逐一精確操控來構築超常規塊材物性的產(chan) 品，會(hui) 是人類未來上百年致力開發的技術，也是長期保障國家安全的必爭(zheng) 之地。

　　如今，在原子製造這個(ge) 新賽道，所有國家站在同一起點。

　　我國在這方麵有很好的基礎和積累。我國物質科學界從(cong) 20世紀80年代起就開始關(guan) 注這些基礎方向，包括STM原子操控、原子團簇、原子層器件、色心、單原子器件、原子級裝配等方向。最近幾年，這些方向快速發展，開始具備與(yu) 國外接近的基礎研究能力。90年代，機械學科的學者就開始思考將這些能力推向加工製造，並取得初步進展。

　　近年來，我國在原子製造方麵持續布局。2016年，原子製造就得到國家層麵的關(guan) 注；2018年，中科院推出了“功能導向的原子製造前沿科學問題”先導計劃，南京大學成立了全國第一個(ge) 原子製造創新研究中心；2019年，華為(wei) 成立了戰略研究院，其三大科學問題之一就是原子製造；2021年浙江大學成立了原子精度製造平台，之後，天津大學、北京航空航天大學和西南交通大學等單位相繼成立專(zhuan) 門的研究機構；2022年，兩(liang) 院院士選出的十大科學問題，關(guan) 注了原子製造；2023年3月，國家自然科學基金委員會(hui) 兩(liang) 個(ge) 學部連續召開兩(liang) 次高端論壇，分別討論了“原子級製造的基礎科學問題”與(yu) “原子製造的物質科學基礎”；不久前，在以“高端製造”為(wei) 題的中科院雁棲湖論壇上，與(yu) 會(hui) 的國內(nei) 外專(zhuan) 家票選了高端製造前沿十大科學問題，原子製造位列其中。

　　發展原子製造，沒有可供參考的路線圖，沒人能回答哪條技術路線能成功，需要我們(men) 自主探路。這對科技工作者和管理者都提出了更高的要求：需要我們(men) 鼓起勇氣，直麵物質科學的核心難題；需要我們(men) 謹守學術理念，謹守人們(men) 對於(yu) 製造的期待，不能把一些沒有進入原子尺度的工作簡單改個(ge) 名字；需要我們(men) 進一步夯實原子尺度物質科學的基礎研究，從(cong) 中深刻挖掘，集合物質科學、製造科學等領域的科研力量；需要我們(men) 從(cong) 製度上創新，鼓勵探索、允許失敗、摸索前行，在原子製造新賽道實現先進製造技術的創新超越。

　　《光明日報》（2023年07月20日 16版）