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物理人已开始探索的一些潜在原子制造方法举例：1、 针对二维 monolayer 体系，两层单层原子堆叠形成魔角莫尔结构，可以产生一系列本源体系不存在的量子效应；2、 两层六角双原子单层构成的双层结构，可以通过面内滑移实现电极化翻转，即铁电性；3、 原子团簇创制及其定点氧化还原反应的催化实现。宋凤麒他们的团簇定制技术，就可以在这等“制造”中大显身手。

（上接第1410期第4版）

目前的所谓“量子操控”，主要还是从操控一个一个的原子入手。那个最有名的量子围栏就是一个范例，成为物理人宣称可以实现“量子制造”的重要证据。注意到这种“量子操控”，能够通过波动物理在原本没有粒子的空间处产生“粒子／波”的效应，也许算是一种所谓的物质创制。

这种操控结果赏心悦目，但操控过程却是万水千山。之所以这么说，乃是量子力学告知我们，操控单个原子本身就是一件很辛苦的事情。以目前量子操控最优雅的技术~STM针尖操控为例来说明，比较有说服力。物理人很早就实现了用STM针尖将样品表面的某个原子拎起来、放下去的操作，但是这种拎来拎去的能力源于很复杂的量子相互作用机制：一是针尖原子与目标原子之间的隔空隧穿效应，可以等效为一种吸附与释放作用，从而将目标原子拎起来、放下去；二是针尖原子与目标原子之间的范德华力，受控于针尖位置和偏压而诱导目标原子改变位置；三是针尖施加脉冲能量吸引远处的原子或发射原子到远处；四是其它操作过程施加的电磁相互作用之量子力学版本。可以看到，这样的操控，如果所依赖的机制如此多重，且不说有多大机会能到规模制造水平，即便是定点定位也是一个复杂的进程。这样的操控，用来演示物理人精巧的手法和创意当然是可以的，但要发展大规模制造的技术还是显得相对早期，需要下大力气去发展。

这种技术上的难度，源于量子物理的本质特征，可以从很多物理视角来理解这一点。详细和严格的推导不是本文的目的，我们不妨从“能量”这一物理学“最高宪法”的角度去看。量子操控所涉及的那些物理过程，其能标大概就在meV量级，等效于最高10K左右的温度。因此，量子操控易于被很多机制所左右、易于被边界和环境涨落所左右，是可以理解的。用STM之类的技术，每次操控一个原子，最大的好处就是其周围边界和环境可以最大限度被固定下来。大规模集成制造对体系施加的能标涨落实在是太大了，意味着一次人工量子操控大数原子、使得每一个原子都适得其所的可能性几乎为零。这是量子操控适用于规模集成制造所面临的物理原理限制。以上图下部的IBM原子标记来描述：相隔足够远距离，STM足够将一个一个原子高精度定位于某一点，但如果定位原子之间距是原子晶格间距，则这样的操控就变得很困难。原因在于，那么小的距离范围内，原子之间的量子涨落和干扰，可能比量子操控本身涉及的能标更大。

举个形象的例子：假定用一组STM针尖阵列在集成芯片基底上布阵原子阵列，以实现集成制造。如果这个阵列要做到原子级阵列密度，即最终的原子-原子间距达到亚~0.1nm尺度、与原子尺寸相若。此时，每一次针尖阵列搬运原子，都需要重新更新搬运程序以适应边界和环境涨落条件的变化。更进一步，这一次搬运带来的能标涨落，可能显著影响上一次搬运到位的原子之位置。这种不确定性，未知是否源于那个天大的“量子测不准原理”，但至少预示出集成制造原子器件的STM针尖操控方法，不是制造工程喜欢的方法，或者说不可行。

如果读者还感觉如上量子操控的描绘太过艰涩，笔者不妨再来一个更为科普一些的例子。首先，我们理解，原子制造要面对的一定是少数原子体系(少子体系)，例如要制造5个原子和10个原子构成的器件。此时，少子体系中原子-原子之间的相互作用，就是原子制造物理学中最基本的知识。众所周知，对两个原子间相互作用，物理人说可以用Lennard-Jones(L-J)势函数来描述。有了这个势函数，任意个原子组成的系统势函数，应该就可以是这个势函数的叠加求和。这样的推演，是物理人的标准操作，但实际上存在一些不确定性：一是这一势函数是不严格的，因为它不是严格推导的结果，更多是一种基于大数原子系统的唯象近似表达式。二是在少子体系，孤立的两个原子之间作用很显然不是L-J势函数这样的各向同性表达式，即便是最简单的s轨道原子也未必如此。三是少子体系中的相互作用物理，即便不是空白，亦会是大半荒芜荆棘之地。

行文到此，我们已经明了，经典微纳制造和量子操控之间的gap，未必很宽大，但却有些深不可测。这种不可测度，一是科学原理上的本征挑战，一是经典微纳制造延申和量子操控技术集成化所面临的技术鸿沟。

填补这一gap、填平这一鸿沟，便是“原子制造”的使命。从这个意涵上看，说“原子制造”是制造技术的宣传队、是播种机，显然是可以的。

好吧，那该怎么去做好宣传队与播种机？按照笔者的老学究气理解，播种机，也就是科学：原子制造要有科学内涵与技术基础，因此需要建立原子制造的科学。宣传队，则是要动员更多科学人踊跃参与到原子制造这一新领域中。来搭建科学基础也好，来尝试工程实践也罢，总之是要开拓一方让原子制造茁壮成长的土壤。

原子制造的内涵思考

作为一个笔者武断地看成是新学科的未知之所、探索之地，原子制造与历史上那些被开拓的崭新学科还是有些不同：这一学科的左右两端，即微纳科学和量子操控，都相对比较成熟。左右两端向中间领域的知识渗透，让原子制造有了很多外延和扩散进来的知识内涵，上图就是几个很好的实例。只是，这些内涵需要用一种科学的逻辑进行补充、梳理、归纳和提升，从而为原子制造工程和大规模产业化提供原理支撑。笔者大约按照如下线条，做一些粗暴式梳理，希望构成一个“原子制造”的读书笔记系列：

少子体系的相互作用理论：这是原子制造学科的物理基础。原子分子物理处理少子系统的相互作用，但更多可能是考虑原子分子内部的物理。团簇物理对这一问题也有所涉及，包括分子动力学模拟和数值计算。少子体系严格的物理求解大概还是一个难题，因此少子体系原子-原子/分子-分子之间相互作用理论及其升级完备，应该是原子制造的基础学科需求。

少子体系的热力学与动力学：众所周知，热力学和动力学理论都是针对大数粒子系统的。在微纳科技中，物理人已经提出了小系统有限系统热力学的概念，并尝试进行理论化。对原子制造涉及的少子系统，如果是考虑规模和集成制造，则原子制造热力学和动力学研究会很有价值，也有可能提出新的概念和理论。热力学和动力学的研究，能够为少子系统的几何组态、成分分布、外场响应和演化行为提供指导与预测。

制备新技术：发展可以规模化和集成的制造新技术，是原子制造科学的主体。笔者首先能够想到的就是，宋凤麒教授的团簇规模化创制与筛选方法。通过多种团簇束流加工、谱学表征、精密操控与功能化，有可能实现可定制的原子制造平台。除此之外，过去一些年二维材料的进展也给原子制造新技术提供了一些发展平台。最典型的就是原子层双层滑移和魔角莫尔条纹两个范例。虽然就是两个单一化的制备方法，但每一方法都带动了一个研究方向的兴起。更多的例子包括团簇宏量可控制备、晶圆原子键合技术、原子定点功能化技术(催化、光合、电磁激发)。事实上，原子制造愈多发展出类似的制造方法就愈能体现这一新学科的生命力。

新器件与新产业：当下产业发展已对原子制造提出一些新功能需求和原子级加工需求，推动了原子制造走向产业化的进程，令人期待。

如上的梳理，当然不是穷尽的，甚至很可能是残缺不全的，毕竟这是笔者误打误闯入这片“未知之地”所见所闻之记录。作为有关这一主题的第一篇读书笔记，也无须做到完备和穷尽，不如就此打住。雷打不动的结尾：Ising乃属外行，描述不到之处，敬请谅解。

（全文完）