本文为一篇综述性质的学术论文，由中国人民大学物理学系王聪、程志海、季威等学者完成，其研究生所属的机构是中国人民大学量子态构筑与测控教育部重点实验室。该文章发表于《物理》杂志第52卷第6期，发布时间为2023年。文章全面介绍了原子制造领域的现状、前景以及面临的关键科学和技术挑战，同时提出了新颖的理念和方向。
文章的核心领域为“原子制造”，这是一个融合了材料科学、物理学和化学等多学科的前沿研究领域。在历史上，材料技术的每一次突破都推动了人类文明的发展，例如从石器到青铜，再到钢铁以及硅时代。当前，伴随着半导体技术、超精密加工和纳米材料科学的发展，人类在探索如何通过对单原子及其相互作用的操控，来实现从基础到实际应用的新型制造方式。文章提出了“原子制造”这一全新的概念，其本质是控制原子间的物理和化学行为，通过自下而上的方法设计并构筑新材料、新结构及新功能。
该文章的目标是厘清原子制造中物质间相互作用的核心规律和机制，系统性讨论如何控制单个或多个原子行为以实现原子制造。此外，文章提出了未来原子制造在工业应用和学术研究中的潜在意义：它不仅可能改变现有的制造模式，还可能带动材料科学基础研究范式的变革。
文章从两个方面定义了“原子制造”： - 自上而下的原子级制造（atomic-level manufacturing）：通过提高现有加工精度，如半导体工业所采用的极紫外光刻技术实现原子尺度的表面粗糙度和加工精度。 - 自下而上的原子制造（bottom-up atom construction）：通过主动操控单原子，控制其行为和分布，进一步在更大范围和尺度内实现新功能的物质构建。这种路径被认为更具有颠覆性，类似于基因工程在生命科学中的应用逻辑。
通过这些路径，文章明确了控制原子相互作用是实现原子制造的基础，同时拓展了原子制造的应用场景和技术内涵。
文章系统性地总结了用于单原子的有效控制方法，并以“势能面构建”（potential energy surface sculpting）为核心思想，展开了实验技术的细致讨论。
扫描探针显微镜（STM）和透射电子显微镜（STEM）： - STM 是控制单原子位置的精密工具，通过针尖的电场、施加电压或电子注入来实现原子层面的推、拉、移动。文章提到的多个实例包括： - 美国 IBM 实验室利用 Xe 原子操控拼写出“IBM”字样。 - 中国科学院在 Si(111)表面书写“中文”字样，进一步开发了利用 STM 控制单个键断裂和形成的新方法，如酞菁锰分子的自旋态调控。 - STEM 提供更快的操控速度（几十秒）和更灵活的操作环境，其操控机制包括通过电子散射进行动量和能量传递。这种方法已经在二维材料如石墨烯和硫族化物中应用，通过创造单原子空位等手段实现微观结构的设计。
外场构造的光学晶格和磁晶格： - 光学晶格（optical lattice）： 利用相干激光构建周期性势阱，将极低温冷原子束缚至特定晶格中。这种技术可以模拟固体材料的晶格行为，文章指出了哈伯德模型的成功应用。 - 磁晶格（magnetic lattice）： 通过磁性薄膜构建微观势阱，进一步实现对冷原子的捕获和调控。 - 离子阱（ion traps）： 利用射频电场束缚离子，目前已经实现构筑二维库仑晶格。
间接控制：自组装与化学诱导 - 化学吸附或表面生长过程的控制也是重要的方法之一，如通过表面物理和化学势阱实现 Mn 单原子链的自组装，或通过定向化学反应强化分子链的形成。
文章以多种创新手段构建了在原子层级创制新材料的经典案例。 - 表面与界面能的调控： - 利用表面缺陷诱导金属团簇生成，控制团簇生长的尺寸和形状。 - 单层石墨烯螺旋的制备，通过折叠和生长转化，生成具有特定层间转角的二维转角材料。 - 亚稳态高指数面铜箔的合成，展示了晶体边界与界面的调控潜能。
受控碰撞产生新结构：
电子和离子辐照技术：
人工微结构的构建：
超原子团簇（superatom cluster）：
这篇综述文章不仅总结了目前原子制造领域中的技术进展，也深入讨论了其面临的科学、工业和技术挑战。文章最后展望道，原子制造或许并不是工业技术的终点，而是新时代技术革命的起点。通过与人工智能、材料基因工程的融合，原子制造有望实现“可设计即可制造”的宏大目标。
文章的亮点包括： - 系统性综述了单原子操控方法、光学和磁学晶格、电子束调控及其在新材料制备中的应用。 - 首次提出部分新概念，例如“类共价准键”对超原子聚集体中电子态的调控。 - 呼吁开发原位观测和实时操控设备，为未来制造基础提供新思路。
预计，该领域的研究有可能推动新的工业革命，也成为物理学、化学和材料科学的融合点，引导超精密制造迈向全新高度。