赤緯

原子積木樂園

“為什么我們不能把整個(gè)24卷的《大英百科全書》寫在大頭針的針尖上呢？”

上面這個(gè)問題，是美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)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(fèi)曼敢于想象，認(rèn)為在“了不起的未來”，我們能按照自己的需求操縱每一個(gè)原子。

不過在人類歷史的大部分時(shí)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(xué)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(jī)等一切很牛的東西。我們甚至成功地設(shè)計(jì)了能夠控制電流的材料，創(chuàng)造了能為你的智能手機(jī)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?nèi)绾温斆鞯亟M合各種原料，我們似乎都無法造出廉價(jià)的熱電材料。此外，商用太陽能電池板的轉(zhuǎn)化效率最高只有20%左右，我們的智能手機(jī)常會在關(guān)鍵的時(shí)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(gè)一個(gè)原子來搭建出新的材料，就像費(fèi)曼在近60年前夢想的那樣。這如同走進(jìn)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(jì)80年代初期，費(fèi)曼其實(shí)就目睹“了不起的未來”時(shí)代的來臨。當(dāng)時(shí)，瑞士的 IBM 蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種能力超強(qiáng)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(yīng)”的奇特量子力學(xué)現(xiàn)象。隧道效應(yīng)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(gè)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(jīng)典力學(xué)，粒子是越不過這座高山的，但是量子力學(xué)卻認(rèn)為，粒子具有一定的概率可以直接穿過這座高山，抵達(dá)山的另一面。

IBM的研究人員在一個(gè)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(dāng)探針和樣品表面之間的間隙距離達(dá)到一個(gè)原子的寬度時(shí)，樣品表面的電子就會因隧道效應(yīng)從表面離開，抵達(dá)探針，這就產(chǎn)生了一個(gè)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(guān)。因此，通過測量隧道電流，就可以計(jì)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(gè)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(gè)原子與探針之間的范德華力就消失了，此時(shí)原子就會停留在那里。

1989年，位于美國的IBM阿爾馬登實(shí)驗(yàn)室的研究人員，將35個(gè)氙原子移到了鎳表面，并拼出了“IBM”三個(gè)字母。

盡管這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)演示，但是要想移動成千上萬個(gè)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(xué)的桑德·奧特和他的同事開始接近這個(gè)目標(biāo)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(jì)算機(jī)來控制顯微鏡，使其自動掃描和移動銅表面上的6萬個(gè)氯離子。結(jié)果是，他們制造出了一種信息存儲設(shè)備，即每一個(gè)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(shè)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(shè)備。

更重要的是，奧特的研發(fā)成果表明，我們正在接近費(fèi)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(shè)計(jì)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(dá)到這個(gè)目標(biāo)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(gè)原子。用顯微鏡費(fèi)力地把每一個(gè)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(dāng)我們弄清楚如何更快地移動原子的同時(shí)，我們應(yīng)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(yīng)用上。

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

但對于上面這個(gè)應(yīng)用來說，掃描隧道顯微鏡可能不是我們最好的操作工具，因?yàn)樗荒懿倏v表面上的原子。不過，有一種儀器可以操縱材料內(nèi)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(nèi)部并進(jìn)行掃描，來得到內(nèi)部的圖像的。但有時(shí)，其電子束還可以輕推內(nèi)部的單個(gè)原子?，F(xiàn)在，有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試?yán)脪呙柰干潆娮语@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(gè)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(zhì)的材料，你不能只是隨機(jī)安排原子，然后就希望能管用。相反，你首先要在計(jì)算機(jī)上去模擬新的材料，這正是美國杜克大學(xué)的斯特法諾·庫塔羅正在努力完成的目標(biāo)。

庫塔羅已經(jīng)開發(fā)出一種軟件，可以在不進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的情況下，快速評估新材料原子排列的化學(xué)穩(wěn)定性和物理性能。他已經(jīng)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(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)，是用了三種元素的原子按照一定的規(guī)律重復(fù)排列，然后再讓計(jì)算機(jī)分析出哪種排列滿足要求，這種辦法可以讓計(jì)算機(jī)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(jì)算，當(dāng)前的超級計(jì)算機(jī)都沒辦法完成這種模擬。

用量子計(jì)算機(jī)來助力

那么，費(fèi)曼的夢想又要遙遙無期了？不完全是，因?yàn)橛幸环N設(shè)備能同時(shí)進(jìn)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(shè)備就是量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)能利用量子力學(xué)的怪異特性，來實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難達(dá)到的計(jì)算能力。在普通計(jì)算機(jī)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(guān)。但量子計(jì)算機(jī)是基于微觀粒子的量子性質(zhì)來進(jìn)行運(yùn)算的，比如它可以用一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)，來代表一個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)同時(shí)給出一個(gè)問題的多種處理方式。1個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)給出2種處理方式，2個(gè)量子比特可以同時(shí)給出4種處理方式，3個(gè)量子比特可以同時(shí)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(gè)量子比特，那么這臺量子計(jì)算機(jī)會比當(dāng)前世界上所有計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的總和還要強(qiáng)大。對于某些問題，特別是模擬大量原子如何相互作用，以產(chǎn)生具有特定性質(zhì)的材料，量子計(jì)算機(jī)可以輕松解決。前景非常誘人，但問題是，我們還沒有一臺實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，盡管許多公司，比如谷歌和微軟，正在嘗試研制量子計(jì)算機(jī)。

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

當(dāng)然，掃描顯微鏡的技術(shù)正不斷地進(jìn)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(shí)現(xiàn)費(fèi)曼的夢想為期不遠(yuǎn)。endprint