2500年前，古希腊学者曾猜想，物质由不可再分的“原子”构成，中国古代也有关于物质精微结构的类似思辨。

步入19世纪，近代原子论诞生，随着新技术不断问世，人类从认识原子结构走到了控制原子的技术前沿。如今，科学家得以精准移动、排布原子，从而把材料已有的性能发挥到极致，甚至做出自然界不存在的高性能材料，原子水平的制造业已上升为国家重大需求。

近日，在京举行的香山科学会议上，与会专家围绕原子（级）制造的基础前沿与技术应用开展热烈讨论。

“原子制造”与“原子级制造”

具体而言，科学家是如何控制直径仅为0.1纳米的原子，并制造新材料的？

第一步是确认原子位置。20世纪80年代，透射电子显微镜与扫描隧道显微镜的发明，实现了对单个原子的观测。

第二步是对原子施加作用。中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧介绍，其核心原理是将能量精准作用于原子或原子层，实现原子限域去除或有序构筑。

就制造路径而言，有“自下而上”和“自上而下”两种路径。其中，“自下而上”类似于从头搭积木，“自上而下”可以理解为对大块材料进行减材雕刻。

对于此类涉及原子层面的制造技术，学界目前有两种描述：“原子制造”和“原子级制造”。一字之差，涵义却有很大区别。二者概念界定不清，造成了研究布局分散、技术路线杂乱的困境。

在本次香山科学会议上，与会专家首先就二者的区别达成共识：“原子制造”以功能为导向，指的是直接操控原子及原子基元的精准构筑过程，包括二维材料外延、单原子迁移等技术。

“原子级制造”则偏向工程化产业应用，重在达到原子级精度的加工、表征与控制手段，属于原子制造的重要技术路径和组成部分。对于“原子级水平”，华南师范大学教授赵纪军解释，其包括但不限于薄膜厚度、表面平整度的原子级精度，满足其一即可。

“因此，与原子级制造相比，原子制造是涵盖精度、性质与功能的更广义概念。”中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员方忠指出。

赵纪军补充道，原子制造更具探索性、颠覆性。“严格地说，只有当真正实现了从原子尺度理解、操控和创新物质，并带来产品性能的颠覆性提升，才能被界定为原子制造。”

变革性制造的范式

明确定义后，就更好理解原子（级）制造的技术与成果。

20世纪90年代起，高鸿钧就开始探索单原子操控技术。借助扫描隧道显微镜（STM），他与团队在单原子的移动与组装方面取得多项进展。例如，高鸿钧开创了基于“折纸术”的原子制造技术，应用扫描探针可在原子级尺度精准和反复折叠石墨烯纳米岛。此外，他与团队探索了在笼目金属表面搭建铯原子有序结构的方法，实现了对材料量子物性的原子精准调控。

南京大学物理学院教授宋凤麒从相关仪器入手，主持研制了团簇束流装置。这套装置从气相原子出发，用激光烧蚀等方式产生原子团簇，再把选定原子数的团簇以束流形式定向沉积到衬底上，就可“垒”成新材料、新器件。他介绍，团簇这种人工分子突破了自然状态的化学空间，能获得更多特殊物态，例如亚稳态、过渡态和非平衡态，是原子制造实现按需创制新物质的核心构筑基元。

这些“自下而上”的自组装技术，展现了原子制造精准操纵的特点。

就产业化应用而言，原子（级）制造是支撑信息技术发展与升级的关键。当下，人工智能（AI）的快速发展给算力能效提出越来越高的要求，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员宋志棠团队探索的相变存储器（PCM）制造，为高速、大容量存储带来可能。

“在光或电操作下，相变原子或基元从不整齐变为整齐，或从整齐变为不整齐的过程，就是信息储存的过程。”宋志棠介绍，PCM依托原子尺度的结构相变，属于原子级制造范畴。面向电网、小卫星、工控等信息安全与国家战略需求，宋志棠团队与企业合作研制嵌入式PCM芯片，目前已实现量产，展现了“自上而下”的规模化优势。

“自下而上擅长造新物质，自上而下擅长规模化制备。精准操纵与可扩展制造的融合，是走向应用的关键路径。”高鸿钧总结道。

基于此，他指出一条原子制造的全链条布局：单原子操纵、原子层材料构筑、单原子测控，再到超高真空原子刻蚀与图案化器件制备。

“原子制造已成为变革性制造的范式。”高鸿钧说。

人类的终极梦想

当下，原子制造仍面临诸多挑战，与会专家就未来重点攻克方向开展讨论。

赵纪军指出，原子并不“听话”，对其的精细控制很困难，现有的计算仿真软件对电子束能场和能量束的描述不够精准，同时，制造要求“规模化”“一致化”，这样的原理性矛盾引申出一系列难题。

“现有技术虽已实现多原子人工结构的构筑，例如在金属基底上构筑Cl、CO、P、Fe、In等结构，但实验可精准构筑的材料种类少，难以构筑复杂和异质的人工原子结构。“对此，高鸿钧总结说。

以光学芯片的制造为例，北京大学物理学院教授刘开辉介绍道，二维晶体光学芯片被视为突破能耗与带宽瓶颈的重要技术，然而，二维晶体的厚度极薄，其原子级的厚度使光与物质作用长度过短，会大大降低光转换效率。

高鸿钧同时指出，尽管现有技术已实现了原子成像和高电子能量分辨的测量，但在原位表征方面，单原子尺度上单电子、单自旋、阿秒层次的物理性质精准测量和研究尚待突破；在器件集成方面，复杂单原子/分子尺度的原理性器件仍难以构筑。

对于原子制造的功能突破，方忠表示，从微纳尺度到原子，制造体系正从经典物理走向全量子物理，器件从经典输运转向弹道输运等量子行为，必须更多依托量子效应实现功能突破，而非简单追求精度提升。

除了对原子操控、材料制造技术的探索与升级，赵纪军呼吁把握AI浪潮，及时开发针对原子制造的数据库，支撑设计仿真软件和AI模型的开发。

“原子级制造是人类的终极梦想。在未来，我们会真正实现从性能到材料的逆向设计，在不同的限制空间里利用不同的物理场或物质流，创制任意想创制的材料。”宋凤麒展望道。