引子

在南京大学读书的一个好处就是，只要愿意，就能不断更新自己的认知与视野。只要不是主观排斥，这样的认知还是令人快乐的，虽然带来的副作用之一便是所学太杂、对新知识只能是走马观花学而不精。

过去两年，一些偶然或机缘巧合，笔者听了南大物理学院帅哥教授宋凤麒的两次“原子制造”主题演讲。虽然早知道凤麒是国内执“原子制造”牛耳的学者之一，但那时候笔者并无真的去用心学习这一概念、方向、领域、学科甚至未来产业的脉络与内涵。最近，总算有了一些闲暇时光，可以暂时不管宏尘大世，而去到微观世界看“原子起、原子落”、看“原子制造”。看了一会，思索了几天，便开始班门弄斧，旅行路上写几段“原子制造”的读书笔记在这里。

所谓“原子制造”，以笔者之望文生义，应该就是在原子层次上的制造。这一“制造”不仅指以原子尺度 0.1 nm 为精度的加工处理，亦指以原子为基本单元组装创制新物态。后者自然是“原子制造”更广阔之天地。事实上，这一定义的具体内涵依然是开放的。物理人可随时对之进行调整、扩充、深化与凝练。

这一读书笔记的基调，主要源于这一“望文生义”和如下“囫囵吞枣”一般的思索，也基于图 1 这般物理艺术视角上的蒙太奇想象！挺好的创意和场景。

图 1. 物理艺术家眼中的原子制造：左边是用原子搭建构造的显微镜，右图是一张原子制造示意图，其中绿色激光束先将二维六方晶格格点的原子 (黑色原子) 取走，然后再将抓取另外一个原子 (亮的原子) 到这个位置，从而形成一个新的、稀疏有序的格子。这一新格子，如果携带新功能，则此过程就达至原子制造的目标。

(左图) 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。

(右图) 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。

制造技术的科技尺度

不妨从最简单的“空间尺度”来梳理制造技术的发展。

(1) 从近代制造业的发展脉络看。人类跨越农耕时代而进入工业化，是从蒸汽机发明和机器制造开始 (所谓第一次工业革命)。我们的先辈有了毫米、亚毫米 (mm) 精度的制造技术，诞生了火车、轮船和工农用机械等为代表的制造产业。注意到，蒸汽机的使用，使人类的生活一下子高效、便利很多，但并没有因为被机器夺去很多工作机会而大量失业在家受穷。到了所谓第二次工业革命的电气时代，人类制造业的精度就到了微米 (μm)，各种大型机器与家用电气产品被广泛使用，生活生产效率提升之大难以估量。制造技术迭代到第三次工业革命，半导体微电子、激光、现代通信和智能生活兴起，人类制造的效率显著提升 (如图 2(a) 所示) 和精度推进到微纳尺度 (如图 2(b) 所示。以光刻技术为例，精度达到 ~ 100 nm)。及至今天，微纳制造已成为产业发展的前端，特别是新一代光刻技术和自组装概念，使得 ~ 1 nm 左右的精度控制不再是神话。对每隔一段时间就有新的工业革命到来，人类已习以为常并以此鞭策自身。因此，如果让数百年来于历次工业革命中都执牛耳的物理人再提出下一个制造领域的开拓性、革命性思路，不算什么天方夜谭：就空间尺度而言，到了 0.1 nm 精度被提上日程的时候，就是原子制造！

(2) 从制造业对应的物理学科尺度看。蒸汽机和第一代机械制造，主要被牛顿力学和热力学所引导。质点和由质点按照一定规则构成的宏观体系，用牛顿力学描述其受力和运动大致足够了。到了热机运动，热力学和大数粒子运动规律是产业发展的推手。第二次工业革命背后的推手，应该就是光学和电磁学了 (读者不必质疑为何作为电磁波的光学会排在电磁学前面)。电荷、磁性、光的传播与干涉衍射等物理媒介，其典型尺度就到了微米和亚微米 (μm, sub-μm)，构成电气时代发展的本源驱动力。第三次工业革命的推手，当然就是量子力学和电磁学的大集成，已不需要笔者在此鹦鹉学舌、班门弄斧。微纳制造并非费曼的几句话就能触发的，本质上还是物理学科发展的尺度已到了那里。好吧，微纳科技，已经触及制造业能够触摸到的物理学科之最底层：量子力学。量子力学主打的物质世界，其典型对象就是原子及其内部结构。所以，物理学科尺度也促使物理人要跃跃欲试于原子制造！

(3) 从物理理解的范式演变看。笔者试图从这种理解范式上找到一些“原子制造”的客观逻辑，看看能否有所收获。对物理世界的理解，目前的范式无非是粒子与波。对制造精度的理解，更多是基于粒子的图像。从宏观物体的运动误差，到微纳尺度的粒子大小，即便是超高精度的压电驱动技术，依赖的物理图像依然是对称性破缺那一套物理。注意到，压电驱动，还有它的类似伙伴机制，如压阻，可是诸如硬盘悬臂寻址、光学元件位移、STM　针尖移动等所依赖的物理机制，其操控精度轻松可到 ~ 1 nm。到了量子力学，物理以波动为核心，不再拘泥于粒子图像，但状态却是相互分立的能量子，再加上那个“波粒二象性”的量子力学观念在过去数十年大行其道，让物理人可以很好运用来实现“量子操控”！而可能的“原子制造”要去触及的这个尺度，似乎在闪烁其词、提示物理人：0.1 ~ 1 nm，是波动与粒子间一种协调或 “compromise”。这种协调也好、妥协也罢，昭示“原子制造”可能是人类制造的新天地！既然是新的，那就可以去探索！

(4) 从科技发展进程与科学基础看。诚然，再好的物理，如果没有科学技术的基础性铺垫，那也只是一种理论或观念。原子制造，之所以不是一种观念或构想，很大的自信来源于科学到底认清原子了没有？技术能否到达原子？今天的物理人很清楚：这两者都很大程度上实现了！也就是说，“原子制造” if any，有了相对充实的科技基础。

图 2. 制造业的时间效率 (a) 与精度 (b) 的岁月演化。

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

有了如此四点“囫囵吞枣”，有了如图 2 所示的效率精度演化的激励，看起来，物理人可以扛起“原子制造”的大旗了。不过，需要指出，制造业极限尺度不断向 nm 推进，乃是人类制造技术和产业发展的后果，而不是原生驱动力指标。一次一次工业革命带给制造业精度的飞跃提升，乃源于制造业目标向微小世界的不懈追求。过去三十年发展起来的微纳科学、亦或是纳米科技，从制造业角度或学科内涵角度去审视，让物理人感觉有些天马行空、铺面太大 / 太广 / 太泛。总体而言，微纳科技的学科与产业目标还不那么清晰明了。正因为如此，才有过去三十年科技界各行各业纷纷卷起裤腿、淌入到微纳之海中进行新功能新机遇的探索，才有了微纳科技或微纳制造业目前的现状：纷繁复杂、色彩斑斓。

在这里讨论“原子制造”，马上映入大脑的问题就是：这是否就是将经典制造、或者说微纳制造，推展到量子操控主打的原子尺度？如果是，如果又没有本质挑战和难度，那“干”就是了！

本文将从一个侧面展示，现实可能并非如此！这“并非如此”，核心在于微纳制造和量子操控之间存在一个笔者称之为 “gap” 的区域。对物理人算是稍有遗憾亦或幸运的是，这个 gap 所在，就是“原子制造”学科得以风生水起之所在。

经典与量子之 “gap”

过去两年，为了梳理如何“原子制造”，科技界已有了不少文章总结、论述其中的发展脉络。材料科学与制造工程学，一般不大细究物理学对经典物理和量子物理不同的认知，而是将过往数十年同行前辈在微纳制造方面的努力梳理出来。这种梳理，可以有不同视角，梳理赖以完成的基本原理和技术路线却都是清楚的。

不过，如果从制造技术赖以发展的物理原理角度去审视，也是可以梳理出一些不大一样的条理的。这些个条理，大致亦可分为两大类：经典制造和量子操控，外加一个它们之间的 gap。

(1) 经典制造之一条线，乃自上而下向纳米、向原子尺度推进。

这种推进，一是依赖光学原理。这里的光学，与量子力学中的波动力学不是一回事，是指经典物理中的光学。光学应用于制造的典型代表，就是光刻和微加工技术。通过不断提升光源品质 (如紫外、深紫外) 和波前工程，将光刻极限推到 ~ 100 nm 级别。图 3(a) 所示的作品，就是一个例子。但是，随之进一步提升分辨率却遭遇到巨大挑战。这种挑战，可以浸没光刻技术作为反衬之例来说明。光刻中的浸没技术，不过是将光路浸入折射率与光学透镜折射率一样的液体中，以此来消除光路折射引起的误差而已。这一简单物理操作，却能将光刻精度提升一档，也让发明人林本坚先生留名光刻技术之青史。

这种推进，二是依赖电 – 力耦合原理。电 – 力耦合用于制造的典型代表就是数据磁盘和智能机械 (如机器人用的压电和磁致伸缩马达)。压电材料的应变具有极好的线性响应，通过不断提升电-力耦合电机品质，现在可以将压电电机的步进位移精确到 10 nm 量级，使得微纳制造精度接近原子制造的水平。不过，再进一步提升位移精度，就对压电或磁致伸缩材料的品质极限提出了挑战，多年来步进精度进展也停滞下来。

(2) 经典制造之另一条线，乃自下而上组装原子器件。这一技术路线依赖的物理原理就较为纷繁复杂，目前的认知主要是基于材料物理与化学方面的成熟知识，探索寻找各种可控组装的方法，如晶面选择、二维生长模式控制、界面能控制、应变调控、电化学、几何限域效应等。读者可在化学和材料学相关刊物上看到大量这样的文献报道。图 3(b) 所示即为一个例子，展示了纳米棒阵列的自组装生长。这种探索，无疑是重要的，但真正跨过大规模制造门槛的实例似乎并不多。事实上，自组装生长，除非环境热力学涨落比自组装生长的表面台阶能之类小很多，否则环境涨落就足够导致大面积规则单元生长的希冀成为泡影。

图 3. 微纳制造中两种常见方案：(左) 微加工光刻等自上而下制造的针状电极阵列，用于生物医学探测诊断。(右) 自下而上的材料自组装生长而成的微纳阵列。前者大规模集成制造已经实现，后者似乎依然在走向大尺度规模化制造之路上，挑战不小。

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

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

回过头来，再看量子操控。如果说“原子制造”的一端是微纳技术，则量子操控位于“原子制造”的另一端。作为一种极限操控，如其说是一种技术，不如说是一种基础物理的探索。以“阳春白雪”来描述很是恰当，虽然原子制造需要的是能大规模实施的“下里巴人”。

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，如图 4 上部的图像表达。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，据说图 4 曾经荣登科学图片之年度榜首。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：(1) 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；(2) 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；(3) 针尖施加脉冲能量吸引远处的原子或发射原子到远处；(4) 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 10 K 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。以图 4 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。

图 4. 量子操控研究中那些曾经风靡一时的原子制造图案。上图是 Fe 原子围栏 (atom corral) 将电子束缚于围栏内形成的波动干涉图案。下图乃用 STM 操纵原子组成的 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。

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 ~0.1 nm 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：(1) 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。(2) 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。(3) 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。

图 5. 物理人已开始探索的一些潜在原子制造方法举例：(A) 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；(B) 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；(C) 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。

(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，图 5 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：

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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 (图 5(a) 和 5(b) 就是两个例子)。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。

(4) 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。

七律 · 燕山之望

世外风光叹柳蒲，苍颜半影泛天湖

孤尖白桦凌空矗，浩渺青穹极目迂

俯仰遐遥投险路，交横水木破冰途

尘间许我巡游走，一幅江山涉有无

备注：

(1) 笔者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。本文得到宋凤麒和吴镝老师的多方指导，在此致谢！

(2) 小文标题“原子制造：未知之地”乃宣传式的言辞，不是物理上严谨的说法。这是一个崭新的领域，具有极大的张力和高的维度，因此也难以给出那么客观可靠的描述。但制造业，未来的引领者，看起来要有“原子制造”的一席之地。

(3) 图片来自笔者拍摄的一幅风景 (20250311)，展示了由这些“原子”般围棋子构成的几何图案之意向。其中每一枚围棋子上都印有一个英文问题，体现了“原子制造”的意涵。小诗 (20250320) 原本描写燕山的严冬景色，放在这里表达对宋凤麒他们这些敢于拓春的原子制造探索者们之敬意和期待。

(4) 封面图片来自网络，展示了原子制造的卡通形象。图片地址 https://phys.org/news/2018-05-atomic-scale-reality.html。