引子

能夠如筆者一般待在南大這樣還算有些底蘊的高校，就算是濫竽充數之輩，也能從中得到很多好處。一個好處就是，只要愿意，就能不斷更新自己的認知與視野。只要不是主觀排斥，這樣的認知還是令人快樂的，雖然帶來的副作用之一便是所學太雜、對新知識只能是走馬觀花學而不精。

過去兩年，一些偶然或機緣巧合，筆者聽了南大物理學院帥哥教授宋鳳麒的兩次“原子制造”主題演講。雖然早知道鳳麒是國內執“原子制造”牛耳的學者之一，但那時候筆者并無真的去用心學習這一概念、方向、領域、學科甚至未來產業的脈絡與內涵。最近，總算有了一些閑暇時光，可以暫時不管宏塵大世，而去到微觀世界看“原子起、原子落”、看“原子制造”。看了一會，思索了幾天，便開始班門弄斧，旅行路上寫幾段“原子制造”的讀書筆記在這里。

所謂“原子制造”，以筆者之望文生義，應該就是在原子層次上的制造。這一“制造”不僅指以原子尺度 0.1 nm 為精度的加工處理，亦指以原子為基本單元組裝創制新物態。后者自然是“原子制造”更廣闊之天地。事實上，這一定義的具體內涵依然是開放的。物理人可隨時對之進行調整、擴充、深化與凝練。

這一讀書筆記的基調，主要源于這一“望文生義”和如下“囫圇吞棗”一般的思索，也基于圖 1 這般物理藝術視角上的蒙太奇想象！挺好的創意和場景。

圖 1. 物理藝術家眼中的原子制造：左邊是用原子搭建構造的顯微鏡，右圖是一張原子制造示意圖，其中綠色激光束先將二維六方晶格格點的原子 (黑色原子) 取走，然后再將抓取另外一個原子 (亮的原子) 到這個位置，從而形成一個新的、稀疏有序的格子。這一新格子，如果攜帶新功能，則此過程就達至原子制造的目標。

(左圖) Atomically precise manufacturing has implications for everything from medicine to economic development to climate change. from https://www.theguardian.com/science/small-world/2013/oct/21/big-nanotech-atomically-precise-manufacturing-apm。

(右圖) An artistic rendering illustrates a method for building materials atom-by-atom. Here, an electron beam removes a carbon atom from graphene, allowing a different atom to bond precisely at the vacancy. Credit: Ondrej Dyck/ORNL, U.S. Department of Energy. from https://www.electropages.com/blog/2024/11/researchers-develop-new-technique-individual-atom-fabrication。

制造技術的科技尺度

不妨從最簡單的“空間尺度”來梳理制造技術的發展。

(1) 從近代制造業的發展脈絡看。人類跨越農耕時代而進入工業化，是從蒸汽機發明和機器制造開始 (所謂第一次工業革命)。我們的先輩有了毫米、亞毫米 (mm) 精度的制造技術，誕生了火車、輪船和工農用機械等為代表的制造產業。注意到，蒸汽機的使用，使人類的生活一下子高效、便利很多，但并沒有因為被機器奪去很多工作機會而大量失業在家受窮。到了所謂第二次工業革命的電氣時代，人類制造業的精度就到了微米 (μm)，各種大型機器與家用電氣產品被廣泛使用，生活生產效率提升之大難以估量。制造技術迭代到第三次工業革命，半導體微電子、激光、現代通信和智能生活興起，人類制造的效率顯著提升 (如圖 2(a) 所示) 和精度推進到微納尺度 (如圖 2(b) 所示。以光刻技術為例，精度達到 ~ 100 nm)。及至今天，微納制造已成為產業發展的前端，特別是新一代光刻技術和自組裝概念，使得 ~ 1 nm 左右的精度控制不再是神話。對每隔一段時間就有新的工業革命到來，人類已習以為常并以此鞭策自身。因此，如果讓數百年來于歷次工業革命中都執牛耳的物理人再提出下一個制造領域的開拓性、革命性思路，不算什么天方夜譚：就空間尺度而言，到了 0.1 nm 精度被提上日程的時候，就是原子制造！

(2) 從制造業對應的物理學科尺度看。蒸汽機和第一代機械制造，主要被牛頓力學和熱力學所引導。質點和由質點按照一定規則構成的宏觀體系，用牛頓力學描述其受力和運動大致足夠了。到了熱機運動，熱力學和大數粒子運動規律是產業發展的推手。第二次工業革命背后的推手，應該就是光學和電磁學了 (讀者不必質疑為何作為電磁波的光學會排在電磁學前面)。電荷、磁性、光的傳播與干涉衍射等物理媒介，其典型尺度就到了微米和亞微米 (μm, sub-μm)，構成電氣時代發展的本源驅動力。第三次工業革命的推手，當然就是量子力學和電磁學的大集成，已不需要筆者在此鸚鵡學舌、班門弄斧。微納制造并非費曼的幾句話就能觸發的，本質上還是物理學科發展的尺度已到了那里。好吧，微納科技，已經觸及制造業能夠觸摸到的物理學科之最底層：量子力學。量子力學主打的物質世界，其典型對象就是原子及其內部結構。所以，物理學科尺度也促使物理人要躍躍欲試于原子制造！

(3) 從物理理解的范式演變看。筆者試圖從這種理解范式上找到一些“原子制造”的客觀邏輯，看看能否有所收獲。對物理世界的理解，目前的范式無非是粒子與波。對制造精度的理解，更多是基于粒子的圖像。從宏觀物體的運動誤差，到微納尺度的粒子大小，即便是超高精度的壓電驅動技術，依賴的物理圖像依然是對稱性破缺那一套物理。注意到，壓電驅動，還有它的類似伙伴機制，如壓阻，可是諸如硬盤懸臂尋址、光學元件位移、STM　針尖移動等所依賴的物理機制，其操控精度輕松可到 ~ 1 nm。到了量子力學，物理以波動為核心，不再拘泥于粒子圖像，但狀態卻是相互分立的能量子，再加上那個“波粒二象性”的量子力學觀念在過去數十年大行其道，讓物理人可以很好運用來實現“量子操控”！而可能的“原子制造”要去觸及的這個尺度，似乎在閃爍其詞、提示物理人：0.1 ~ 1 nm，是波動與粒子間一種協調或 “compromise”。這種協調也好、妥協也罷，昭示“原子制造”可能是人類制造的新天地！既然是新的，那就可以去探索！

(4) 從科技發展進程與科學基礎看。誠然，再好的物理，如果沒有科學技術的基礎性鋪墊，那也只是一種理論或觀念。原子制造，之所以不是一種觀念或構想，很大的自信來源于科學到底認清原子了沒有？技術能否到達原子？今天的物理人很清楚：這兩者都很大程度上實現了！也就是說，“原子制造” if any，有了相對充實的科技基礎。

圖 2. 制造業的時間效率 (a) 與精度 (b) 的歲月演化。

from The History of CNC Machines, https://capablemachining.com/blog/the-history-of-cnc-machines/。

有了如此四點“囫圇吞棗”，有了如圖 2 所示的效率精度演化的激勵，看起來，物理人可以扛起“原子制造”的大旗了。不過，需要指出，制造業極限尺度不斷向 nm 推進，乃是人類制造技術和產業發展的后果，而不是原生驅動力指標。一次一次工業革命帶給制造業精度的飛躍提升，乃源于制造業目標向微小世界的不懈追求。過去三十年發展起來的微納科學、亦或是納米科技，從制造業角度或學科內涵角度去審視，讓物理人感覺有些天馬行空、鋪面太大 / 太廣 / 太泛。總體而言，微納科技的學科與產業目標還不那么清晰明了。正因為如此，才有過去三十年科技界各行各業紛紛卷起褲腿、淌入到微納之海中進行新功能新機遇的探索，才有了微納科技或微納制造業目前的現狀：紛繁復雜、色彩斑斕。

在這里討論“原子制造”，馬上映入大腦的問題就是：這是否就是將經典制造、或者說微納制造，推展到量子操控主打的原子尺度？如果是，如果又沒有本質挑戰和難度，那“干”就是了！

本文將從一個側面展示，現實可能并非如此！這“并非如此”，核心在于微納制造和量子操控之間存在一個筆者稱之為 “gap” 的區域。對物理人算是稍有遺憾亦或幸運的是，這個 gap 所在，就是“原子制造”學科得以風生水起之所在。

經典與量子之 “gap”

過去兩年，為了梳理如何“原子制造”，科技界已有了不少文章總結、論述其中的發展脈絡。材料科學與制造工程學，一般不大細究物理學對經典物理和量子物理不同的認知，而是將過往數十年同行前輩在微納制造方面的努力梳理出來。這種梳理，可以有不同視角，梳理賴以完成的基本原理和技術路線卻都是清楚的。

不過，如果從制造技術賴以發展的物理原理角度去審視，也是可以梳理出一些不大一樣的條理的。這些個條理，大致亦可分為兩大類：經典制造和量子操控，外加一個它們之間的 gap。

(1) 經典制造之一條線，乃自上而下向納米、向原子尺度推進。

這種推進，一是依賴光學原理。這里的光學，與量子力學中的波動力學不是一回事，是指經典物理中的光學。光學應用于制造的典型代表，就是光刻和微加工技術。通過不斷提升光源品質 (如紫外、深紫外) 和波前工程，將光刻極限推到 ~ 100 nm 級別。圖 3(a) 所示的作品，就是一個例子。但是，隨之進一步提升分辨率卻遭遇到巨大挑戰。這種挑戰，可以浸沒光刻技術作為反襯之例來說明。光刻中的浸沒技術，不過是將光路浸入折射率與光學透鏡折射率一樣的液體中，以此來消除光路折射引起的誤差而已。這一簡單物理操作，卻能將光刻精度提升一檔，也讓發明人林本堅先生留名光刻技術之青史。

這種推進，二是依賴電 - 力耦合原理。電 - 力耦合用于制造的典型代表就是數據磁盤和智能機械 (如機器人用的壓電和磁致伸縮馬達)。壓電材料的應變具有極好的線性響應，通過不斷提升電-力耦合電機品質，現在可以將壓電電機的步進位移精確到 10 nm 量級，使得微納制造精度接近原子制造的水平。不過，再進一步提升位移精度，就對壓電或磁致伸縮材料的品質極限提出了挑戰，多年來步進精度進展也停滯下來。

(2) 經典制造之另一條線，乃自下而上組裝原子器件。這一技術路線依賴的物理原理就較為紛繁復雜，目前的認知主要是基于材料物理與化學方面的成熟知識，探索尋找各種可控組裝的方法，如晶面選擇、二維生長模式控制、界面能控制、應變調控、電化學、幾何限域效應等。讀者可在化學和材料學相關刊物上看到大量這樣的文獻報道。圖 3(b) 所示即為一個例子，展示了納米棒陣列的自組裝生長。這種探索，無疑是重要的，但真正跨過大規模制造門檻的實例似乎并不多。事實上，自組裝生長，除非環境熱力學漲落比自組裝生長的表面臺階能之類小很多，否則環境漲落就足夠導致大面積規則單元生長的希冀成為泡影。

圖 3. 微納制造中兩種常見方案：(左) 微加工光刻等自上而下制造的針狀電極陣列，用于生物醫學探測診斷。(右) 自下而上的材料自組裝生長而成的微納陣列。前者大規模集成制造已經實現，后者似乎依然在走向大尺度規模化制造之路上，挑戰不小。

(左) https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2022/10/07-brain-arrays.html。

(右) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0143816610000941。

回過頭來，再看量子操控。如果說“原子制造”的一端是微納技術，則量子操控位于“原子制造”的另一端。作為一種極限操控，如其說是一種技術，不如說是一種基礎物理的探索。以“陽春白雪”來描述很是恰當，雖然原子制造需要的是能大規模實施的“下里巴人”。

目前的所謂“量子操控”，主要還是從操控一個一個的原子入手。那個最有名的量子圍欄就是一個范例，成為物理人宣稱可以實現“量子制造”的重要證據，如圖 4 上部的圖像表達。注意到這種“量子操控”，能夠通過波動物理在原本沒有粒子的空間處產生“粒子／波”的效應，也許算是一種所謂的物質創制。

這種操控結果賞心悅目，據說圖 4 曾經榮登科學圖片之年度榜首。但操控過程卻是萬水千山。之所以這么說，乃是量子力學告知我們，操控單個原子本身就是一件很辛苦的事情。以目前量子操控最優雅的技術 ~ STM 針尖操控為例來說明，比較有說服力。物理人很早就實現了用 STM 針尖將樣品表面的某個原子拎起來、放下去的操作，但是這種拎來拎去的能力源于很復雜的量子相互作用機制：(1) 針尖原子與目標原子之間的隔空隧穿效應，可以等效為一種吸附與釋放作用，從而將目標原子拎起來、放下去；(2) 針尖原子與目標原子之間的范德華力，受控于針尖位置和偏壓而誘導目標原子改變位置；(3) 針尖施加脈沖能量吸引遠處的原子或發射原子到遠處；(4) 其它操作過程施加的電磁相互作用之量子力學版本。可以看到，這樣的操控，如果所依賴的機制如此多重，且不說有多大機會能到規模制造水平，即便是定點定位也是一個復雜的進程。這樣的操控，用來演示物理人精巧的手法和創意當然是可以的，但要發展大規模制造的技術還是顯得相對早期，需要下大力氣去發展。

這種技術上的難度，源于量子物理的本質特征，可以從很多物理視角來理解這一點。詳細和嚴格的推導不是本文的目的，我們不妨從“能量”這一物理學“最高憲法”的角度去看。量子操控所涉及的那些物理過程，其能標大概就在 meV 量級，等效于最高 10 K 左右的溫度。因此，量子操控易于被很多機制所左右、易于被邊界和環境漲落所左右，是可以理解的。用 STM 之類的技術，每次操控一個原子，最大的好處就是其周圍邊界和環境可以最大限度被固定下來。大規模集成制造對體系施加的能標漲落實在是太大了，意味著一次人工量子操控大數原子、使得每一個原子都適得其所的可能性幾乎為零。這是量子操控適用于規模集成制造所面臨的物理原理限制。以圖 4 下部的 IBM 原子標記來描述：相隔足夠遠距離，STM 足夠將一個一個原子高精度定位于某一點，但如果定位原子之間距是原子晶格間距，則這樣的操控就變得很困難。原因在于，那么小的距離范圍內，原子之間的量子漲落和干擾，可能比量子操控本身涉及的能標更大。

圖 4. 量子操控研究中那些曾經風靡一時的原子制造圖案。上圖是 Fe 原子圍欄 (atom corral) 將電子束縛于圍欄內形成的波動干涉圖案。下圖乃用 STM 操縱原子組成的 IBM logo。

(top) from https://physics.aps.org/articles/v18/24。

(bottom) from https://cen.acs.org/analytical-chemistry/imaging/30-years-moving-atoms-scanning/97/i44。

舉個形象的例子：假定用一組 STM 針尖陣列在集成芯片基底上布陣原子陣列，以實現集成制造。如果這個陣列要做到原子級陣列密度，即最終的原子-原子間距達到亞 ~0.1 nm 尺度、與原子尺寸相若。此時，每一次針尖陣列搬運原子，都需要重新更新搬運程序以適應邊界和環境漲落條件的變化。更進一步，這一次搬運帶來的能標漲落，可能顯著影響上一次搬運到位的原子之位置。這種不確定性，未知是否源于那個天大的“量子測不準原理”，但至少預示出集成制造原子器件的 STM 針尖操控方法，不是制造工程喜歡的方法，或者說不可行。

如果讀者還感覺如上量子操控的描繪太過艱澀，筆者不妨再來一個更為科普一些的例子。首先，我們理解，原子制造要面對的一定是少數原子體系 (少子體系)，例如要制造 5 個原子和 10 個原子構成的器件。此時，少子體系中原子 - 原子之間的相互作用，就是原子制造物理學中最基本的知識。眾所周知，對兩個原子間相互作用，物理人說可以用 Lennard - Jones (L - J) 勢函數來描述。有了這個勢函數，任意個原子組成的系統勢函數，應該就可以是這個勢函數的疊加求和。這樣的推演，是物理人的標準操作，但實際上存在一些不確定性：(1) 這一勢函數是不嚴格的，因為它不是嚴格推導的結果，更多是一種基于大數原子系統的唯象近似表達式。(2) 在少子體系，孤立的兩個原子之間作用很顯然不是 L - J 勢函數這樣的各向同性表達式，即便是最簡單的 s 軌道原子也未必如此。(3) 少子體系中的相互作用物理，即便不是空白，亦會是大半荒蕪荊棘之地。

行文到此，我們已經明了，經典微納制造和量子操控之間的 gap，未必很寬大，但卻有些深不可測。這種不可測度，一是科學原理上的本征挑戰，一是經典微納制造延申和量子操控技術集成化所面臨的技術鴻溝。

填補這一 gap、填平這一鴻溝，便是“原子制造”的使命。從這個意涵上看，說“原子制造”是制造技術的宣傳隊、是播種機，顯然是可以的。

好吧，那該怎么去做好宣傳隊與播種機？按照筆者的老學究氣理解，播種機，也就是科學：原子制造要有科學內涵與技術基礎，因此需要建立原子制造的科學。宣傳隊，則是要動員更多科學人踴躍參與到原子制造這一新領域中。來搭建科學基礎也好，來嘗試工程實踐也罷，總之是要開拓一方讓原子制造茁壯成長的土壤。

圖 5. 物理人已開始探索的一些潛在原子制造方法舉例：(A) 針對二維 monolayer 體系，兩層單層原子堆疊形成魔角莫爾結構，可以產生一系列本源體系不存在的量子效應；(B) 兩層六角雙原子單層構成的雙層結構，可以通過面內滑移實現電極化翻轉，即鐵電性；(C) 原子團簇創制及其定點氧化還原反應的催化實現。宋鳳麒他們的團簇定制技術，就可以在這等“制造”中大顯身手。

(A) from https://www.nextbigfuture.com/2023/08/explainer-thread-on-lk99-room-temperature-superconductors.html。(B) from https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.176801.(C) Y. Chen et al, Nature Chemical Engineering 2,38 (2025), https://www.nature.com/articles/s44286-024-00162-x。

原子制造的內涵思考

作為一個筆者武斷地看成是新學科的未知之所、探索之地，原子制造與歷史上那些被開拓的嶄新學科還是有些不同：這一學科的左右兩端，即微納科學和量子操控，都相對比較成熟。左右兩端向中間領域的知識滲透，讓原子制造有了很多外延和擴散進來的知識內涵，圖 5 就是幾個很好的實例。只是，這些內涵需要用一種科學的邏輯進行補充、梳理、歸納和提升，從而為原子制造工程和大規模產業化提供原理支撐。筆者大約按照如下線條，做一些粗暴式梳理，希望構成一個“原子制造”的讀書筆記系列：

(1) 少子體系的相互作用理論：這是原子制造學科的物理基礎。原子分子物理處理少子系統的相互作用，但更多可能是考慮原子分子內部的物理。團簇物理對這一問題也有所涉及，包括分子動力學模擬和數值計算。少子體系嚴格的物理求解大概還是一個難題，因此少子體系原子 - 原子 / 分子 - 分子之間相互作用理論及其升級完備，應該是原子制造的基礎學科需求。

(2) 少子體系的熱力學與動力學：眾所周知，熱力學和動力學理論都是針對大數粒子系統的。在微納科技中，物理人已經提出了小系統有限系統熱力學的概念，并嘗試進行理論化。對原子制造涉及的少子系統，如果是考慮規模和集成制造，則原子制造熱力學和動力學研究會很有價值，也有可能提出新的概念和理論。熱力學和動力學的研究，能夠為少子系統的幾何組態、成分分布、外場響應和演化行為提供指導與預測。

(3) 制備新技術：發展可以規模化和集成的制造新技術，是原子制造科學的主體。筆者首先能夠想到的就是，宋鳳麒教授的團簇規模化創制與篩選方法。通過多種團簇束流加工、譜學表征、精密操控與功能化，有可能實現可定制的原子制造平臺。除此之外，過去一些年二維材料的進展也給原子制造新技術提供了一些發展平臺。最典型的就是原子層雙層滑移和魔角莫爾條紋兩個范例 (圖 5(a) 和 5(b) 就是兩個例子)。雖然就是兩個單一化的制備方法，但每一方法都帶動了一個研究方向的興起。更多的例子包括團簇宏量可控制備、晶圓原子鍵合技術、原子定點功能化技術 (催化、光合、電磁激發)。事實上，原子制造愈多發展出類似的制造方法就愈能體現這一新學科的生命力。

(4) 新器件與新產業：當下產業發展已對原子制造提出一些新功能需求和原子級加工需求，推動了原子制造走向產業化的進程，令人期待。

如上的梳理，當然不是窮盡的，甚至很可能是殘缺不全的，畢竟這是筆者誤打誤闖入這片“未知之地”所見所聞之記錄。作為有關這一主題的第一篇讀書筆記，也無須做到完備和窮盡，不如就此打住。雷打不動的結尾：Ising 乃屬外行，描述不到之處，敬請諒解。

七律 · 燕山之望

世外風光嘆柳蒲，蒼顏半影泛天湖

孤尖白樺凌空矗，浩渺青穹極目迂

俯仰遐遙投險路，交橫水木破冰途

塵間許我巡游走，一幅江山涉有無

(1) 筆者 Ising，任職南京大學物理學院，兼職《npj Quantum Materials》編輯。本文得到宋鳳麒和吳鏑老師的多方指導，在此致謝！

(2) 小文標題“原子制造：未知之地”乃宣傳式的言辭，不是物理上嚴謹的說法。這是一個嶄新的領域，具有極大的張力和高的維度，因此也難以給出那么客觀可靠的描述。但制造業，未來的引領者，看起來要有“原子制造”的一席之地。

(3) 圖片來自筆者拍攝的一幅風景 (20250311)，展示了由這些“原子”般圍棋子構成的幾何圖案之意向。其中每一枚圍棋子上都印有一個英文問題，體現了“原子制造”的意涵。小詩 (20250320) 原本描寫燕山的嚴冬景色，放在這里表達對宋鳳麒他們這些敢于拓春的原子制造探索者們之敬意和期待。

(4) 封面圖片來自網絡，展示了原子制造的卡通形象。圖片地址 https://phys.org/news/2018-05-atomic-scale-reality.html。

本文轉載自《量子材料QuantumMaterials》微信公眾號

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