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原子积木构建材料世界

原子积木乐园

“为什么我们不能把整个24卷的《大英百科全书》写在大头针的针尖上呢?”

上面这个问题,是美国著名物理学家理查德·费曼在1959年12月的一次演讲中提出的,但他并不是想拥有一套可随身携带的百科全书,他考虑的是如何操控原子的问题。费曼敢于想象,认为在“了不起的未来”,我们能按照自己的需求操纵每一个原子。

不过在人类历史的大部分时期,我们使用的东西都是大自然给我们做的。然后,我们找到了提炼和加工它们的方法。例如,我们学会了冶炼金属,并添加其他元素来制造出像钢一样的合金。这些材料给我们提供了从餐具、厨房水槽到喷气式发动机等一切很牛的东西。我们甚至成功地设计了能够控制电流的材料,创造了能为你的智能手机和笔记本电脑工作的微芯片。

目前,在很大程度上,我们使用的原料仍局限于天然矿物,想要获得新材料,我们得用这些材料来合成,但这阻碍了我们继续前行。例如,我们想利用余热来发电,但无论我们如何聪明地组合各种原料,我们似乎都无法造出廉价的热电材料。此外,商用太阳能电池板的转化效率最高只有20%左右,我们的智能手机常会在关键的时候没电,很显然我们需要更好的电池材料。

为了创造出我们想要的东西,我们需要用一个一个原子来搭建出新的材料,就像费曼在近60年前梦想的那样。这如同走进了原子积木乐园一样,我们可以建造出各种神奇的东西。

那么,我们要做的第一步,就是能抓起原子。

抓起原子

20世纪80年代初期,费曼其实就目睹“了不起的未来”时代的来临。当时,瑞士的 IBM 苏黎世研究实验室的研究人员发明了一种能力超强的新型显微镜,叫做扫描隧道显微镜,它利用了一种叫做“隧道效应”的奇特量子力学现象。隧道效应指的是微观粒子能够跨越不可能的障碍的现象。一种形象的说法是,一个粒子在旅行中遭遇了一座高山,但它没有足够的能量翻过去,按照经典力学,粒子是越不过这座高山的,但是量子力学却认为,粒子具有一定的概率可以直接穿过这座高山,抵达山的另一面。

IBM的研究人员在一个探针和样品表面之间施加一定的电压,并让金属探针逐渐接近样品的表面。他们发现,当探针和样品表面之间的间隙距离达到一个原子的宽度时,样品表面的电子就会因隧道效应从表面离开,抵达探针,这就产生了一个隧道电流。隧道电流的大小,与针和样品表面之间的间隙距离呈正相关。因此,通过测量隧道电流,就可以计算出探针与表面之间的间隙距离的变化,从而能绘制出样品表面上原子的模样。

有了扫描隧道显微镜,我们第一次看到了原子,但这只是一个开始。研究人员很快就发现,扫描隧道显微镜可以抓起原子并移动它们。只要让探针足够接近样品表面上的原子,那么它们之间就会出现一种短程的静电力,这就是范德华力。借助这种力,探针就可以抓住下方的原子,你可以拖动它沿着样品表面水平移动,将探针抬离样品表面,这个原子与探针之间的范德华力就消失了,此时原子就会停留在那里。

1989年,位于美国的IBM阿尔马登实验室的研究人员,将35个氙原子移到了镍表面,并拼出了“IBM”三个字母。

尽管这是一个令人印象深刻的实验演示,但是要想移动成千上万个原子,并以此来制造出前所未有的新材料,仍有很长的路要走。

梦想的第一步

但在2016年,荷兰代尔夫特理工大学的桑德·奥特和他的同事开始接近这个目标了。

奥特等人注意到,氯离子很容易在铜表面上移动,他们利用计算机来控制显微镜,使其自动扫描和移动铜表面上的6万个氯离子。结果是,他们制造出了一种信息存储设备,即每一个氯原子的不同位置都可以代表不同的信息。如果他们的存储设备能做到1平方厘米,那么就能存储10T(10240 GB)的数据,超过目前所有的存储设备。

更重要的是,奥特的研发成果表明,我们正在接近费曼的梦想。奥特表示,如果我们能按照自己的意愿移动原子的话,那么这意味着我们基本上可以开始直接设计我们想要的材料,而不是仅仅局限于大自然给我们的材料。

但他知道,达到这个目标十分困难。最大的问题之一是,要想制造出1克的材料,你必须组装约1023个原子。用显微镜费力地把每一个原子都拖到特定的地方,并一层一层地搭建,这种办法太慢了。因此,当我们弄清楚如何更快地移动原子的同时,我们应该把精力集中到移动少量原子就能提高或改变材料性能的应用上。

就拿手机里的芯片来说吧,每一个都有数十亿个晶体管,晶体管的功能像水龙头一样,打开和关闭电流。现在的晶体管是如此之小,它们容易漏电,这会产生热量,并降低芯片运行的最高速度。如果你能修改少数原子,让每个晶体管都不漏电,那么你就能提高整个芯片的性能。

但对于上面这个应用来说,扫描隧道显微镜可能不是我们最好的操作工具,因为它只能操纵表面上的原子。不过,有一种仪器可以操纵材料内部的原子,它就是扫描透射电子显微镜。这种显微镜是使用电子束透射到材料内部并进行扫描,来得到内部的图像的。但有时,其电子束还可以轻推内部的单个原子。现在,有几个研究团队正在尝试利用扫描透射电子显微镜来组装出具有原子级别精度的材料。

该如何排列原子?

不过,还有一个更要紧的问题困扰着我们: 我们不知道该把我们移动的原子如何排列。如果你的目的是创造具有特殊性质的材料,你不能只是随机安排原子,然后就希望能管用。相反,你首先要在计算机上去模拟新的材料,这正是美国杜克大学的斯特法诺·库塔罗正在努力完成的目标。

库塔罗已经开发出一种软件,可以在不进入化学实验室的情况下,快速评估新材料原子排列的化学稳定性和物理性能。他已经取得了一些成功。2017年,他的合作者用他的软件,在电脑上找到了两种潜在的新型磁性材料,而实验合成的材料,其性能的确如此。其他研究人员正在使用这种方法,来寻找更好的化学电池和制造太阳能电池的材料。

不过,研究人员在寻找新型磁性材料时,是用了三种元素的原子按照一定的规律重复排列,然后再让计算机分析出哪种排列满足要求,这种办法可以让计算机更加容易处理。然而,要想模拟由任意的元素和任意的排列组合成的材料,其排列组合方式数目巨大,得需要大量的计算,当前的超级计算机都没办法完成这种模拟。

用量子计算机来助力

那么,费曼的梦想又要遥遥无期了?不完全是,因为有一种设备能同时进行很多次的模拟,它能很快地找到我们所需要的原子排列。这种设备就是量子计算机。

量子计算机能利用量子力学的怪异特性,来实现经典计算机很难达到的计算能力。在普通计算机中,晶体管只能处于两种状态中的一种——要么是开,要么是关。但量子计算机是基于微观粒子的量子性质来进行运算的,比如它可以用一个粒子的自旋状态,来代表一个基本信息单位,而粒子的自旋既可以是向上,也可以是向下,还可以同时处于向上和向下的叠加态,这种信息单位就是量子比特,而叠加态能让量子计算机同时给出一个问题的多种处理方式。1个量子比特的量子计算机可以同时给出2种处理方式,2个量子比特可以同时给出4种处理方式,3个量子比特可以同时给出8种处理方式……处理能力呈指数级增长。

如果你有300个量子比特,那么这台量子计算机会比当前世界上所有计算机的计算能力的总和还要强大。对于某些问题,特别是模拟大量原子如何相互作用,以产生具有特定性质的材料,量子计算机可以轻松解决。前景非常诱人,但问题是,我们还没有一台实用的量子计算机,尽管许多公司,比如谷歌和微软,正在尝试研制量子计算机。

即使我们拥有了量子计算机,可以为我们找到制造神奇材料的配方,还是有一个巨大的挑战等待着我们——操控更多个原子。最为直接的办法,是使用多台扫描显微镜同时进行工作,但是,在实际操作中,探针越多,就越容易受到各种因素的干扰。

当然,扫描显微镜的技术正不断地进步,而且也许过不多久,我们还能想出其他更好的解决方案。总之,实现费曼的梦想为期不远。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第11期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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