怎样才能操控单个原子

通过对宏观的物理、化学现象的认识，人类已经创造出辉煌灿烂的物质文明，极大地改变了我们的生活。那么试想一下，如果我们能够用自下而上的方式，将构成万物的原子按照我们的要求重新排列组合，就像搭积木一样，形成新的物质形态，又将会对世界产生多么深刻的影响呢？一旦实现了对单个原子随心所欲的操纵，在将来人们可以制造坚固却又极轻，耐极端高低温的“超级材料”；可以制造出分子大小水平的器件，它节能小巧，却能拥有比现在的庞然大物更优秀的性能（比如可以直接进入血管到达心脏进行心脏手术的机器人）；还可以通过对生物分子的改造以治疗某些疾病……这些美好的图景并非天方夜谭，比如IBM的科学家就利用富勒烯（$C_{60}$）制造了第一个分子“电力”开关，比现在的固体开关电路要小1万倍，而开关频率要快得多。

原子实在太小，看到它都很困难，怎么才能对它进行操纵呢？其实，扫描隧道显微镜本身就可以对原子进行操纵！扫描隧道显微镜的针尖可以对材料表面的原子或分子产生吸引或排斥，就可以像机械手臂一样，将原子吸附在针尖上，移动到另一位置再放下来。1990年，IBM的研究人员用扫描隧道显微镜针尖把35个氙原子一个一个摆放在金属镍表面上，形成了“IBM”的字样。仅仅把原子移来移去似乎离我们前面想象中的美好未来相距甚远，但这至少展示了操纵单个原子的可行性。

单个原子摆成的IBM 字样

对单个原子的操纵，还可以利用“光镊”技术。顾名思义，光镊就像我们平时用的镊子一样，可以夹起一个物体放置到另一个地方，只不过这里的镊子是光压，夹起来的是一个个的原子。光镊的正式名称是“单光束梯度力光阱”。这就像一颗玻璃珠掉进了碗里，只能待在碗的底部，玻璃珠偏离碗底越多，它的重力势能就越高，最终在重力的作用下又回到碗底。在光镊里的原子也类似，只不过迫使它呆在光镊里的是光子碰撞的反冲动量。

有了这些有力工具，探测和操纵单个原子也就不那么困难了。

扫描隧道显微镜原理图