近来，南京大学物理学院、原子制作研讨院宋凤麒、张敏昊团队与厦门大学谢素原、谭元植团队，中国人民大学季威、王聪团队等协作，在原子制作范畴获得重要发展。研讨人员在内嵌金属富勒烯团簇Sc晶体管中，完成了原子控制，初次一起完成了多电导态、真随机数生成、质因数分化与高精度矩阵乘法，展现了原子制作技能构建未来超紧凑智能信息单元的巨大潜力。
跟着集成电路迫临物理极限，传统“自上而下”的微缩途径面对严峻应战。原子制作—— 即从原子标准动身、按需构筑物质与功用器材的制作范式 —— 被认为是打破当时信息密度瓶颈和未来原子芯片的关键技能之一。完成兼具极小尺度、多态存储与概率核算三大功用的“全能型”信息单元，是原子制作范畴在信息器材方向的中心方针之一。
但是，在同一单元中一起集成这三种特性面对极大的物理应战。本作业经过负反馈控制电搬迁裂结技能，成功将单个Sc2C2@C88团簇（尺度 1 nm）构筑为晶体管沟道，完成了对单团簇晶体管进行原子控制再到新式核算功用的全链条打破。
图1Sc2C2@C88团簇的单电子输运。a. Sc2C2@C88示意图及晶体管电镜相片。b. FCEBJ进程中源漏电流（Isd）–电压（Vsd）联系曲线。红线为开始线，蓝线为停止线。插图为FCEBJ进程前沙漏形纳米线的扫描电镜图画。c. Sc2C2@C88晶体管中不同Vg值下的库仑堵塞现象。d. 微分电导（dI/dV）随Vsd和Vg改变的映射图。e. 从与图d对应的电流映射中提取的电流–栅压联系曲线 V时的Isd–Vsd曲线。依据赤色和蓝色符号，器材体现出随机开关行为。研讨团队选取的Sc
C2@C88团簇，其碳笼对称性、内嵌Sc2C2取向及C2二聚体排布一起构成了极其丰厚的能量景象。在低温条件下，实时电学丈量显现，该单团簇器材的电导态可在三至四个不同电平之间随机且安稳地切换，构成真实的概率比特。由该随机切换生成的真随机比特序列的自相关函数置信区间落在±0.02以内，证明了高质量的随机性。重要的是，经过调理偏压，能够调理单团簇晶体管势能面，从而调控内嵌原子，使得多电导态的概率散布可在“0”和“1”之间接连改变，完成单团簇晶体管的原子控制。根据这种可控性，团队运用单个概率比特成功完成了整数551的质因数分化，准确找到素数因子19和29。进一步，研讨团队将单团簇的多电导态推行到四态，构成马尔可夫多态元件，完成了在同一器材中一起包容矩阵元素与矩阵乘法。经过提取不同偏压下的状况搬运矩阵并进行乘法运算，实测效果与直接核算值之间的矩阵元最大差错小于0.05，均匀差错低于0.03。这一效果展现了原子制作的信息单元在矩阵核算中的高精度才能，远优于传统单比特器材的精度水平。
图2单团簇晶体管中的原子控制。(a-c) 电压对团簇电导态的调控，展现了六种不同电压下的状况。跟着电压逐步添加，高电导态的概率下降，而低电导态的概率添加。(d) 器材的电流-电压呼应以及电导态的切割。如图所示，黄色虚线将器材划分为高、低两个区域，别离对应0和1。(e) 电压对概率的控制，展现了器材概率随电压改变的突变进程。(f) 整数分化效果。关于每个要分化的整数，咱们进行了20次重复核算，一切核算效果均收敛到正确效果。图中展现了运用8个比特位分化551的示例。下方的数据图显现了每次分化结束时器材的均匀概率散布。(g) 高精度矩阵乘法，其最大差错和均匀差错别离小于0.05和0.03。
碳笼对称性、内嵌Sc2C2取向及C2二聚体排布，生成了522种潜在构型，并准确描绘了该体系的势能面。五个安稳构型之间的能量差异处于0.2 – 99.3 meV，且各自具有十分显着且方向各异的电偶极矩。电场既能调控构型相对能量，又能调理态间势垒，以此来完成了电场辅佐的簇构型在杂乱能量景象上的马尔可夫进程。这一微观机制为运用原子制作手法规划更多功用性单团簇器材供给了理论依据。
C2@C88构型的势能面（PES）。不同构型由其Sc–Sc键矢量的取向界说。此处，ϕ和θ别离表明Sc–Sc方向与z轴和x轴之间的夹角。赤色、绿色、蓝色、橙色和紫色点代表能量最高的五个态。一切其他核算得到的构型以黑色点表明。(b, c) 电场对势能面的调控：(b) 能垒调理；(c) 相对能量调理。(d) 最低能态的几许构型及电偶极矩方向。蓝色箭头表明微观电偶极矩矢量。碳笼外表的不一样的色彩符号表明Sc原子的吸附位点。(e) 不同外加电场下态间搬运矩阵的演化。原子制作让咱们也能够从单个原子、单个团簇的层面从头规划信息功用单元。这次在Sc
C2@C88单团簇晶体管中经过原子控制完成的多电导态随机切换及其核算使用，足够体现了原子制作理念在新一代信息器材方向的巨大潜力。未来，咱们将进一步探究更丰厚、更可控的单团簇功用库，推进原子级智能电子器材的实用化。相关效果以“A Sc
C2@C88-cluster-based ultra-compact multilevel probabilistic bit for matrix multiplication”为题，于2026年5月13日在线发表于Nature Materials。南京大学博士生齐颢然、刘欣嵘、毛逸夫，中国人民大学博士生席郭灏，以及厦门大学博士生周园标为论文的一起榜首作者，南京大学宋凤麒、张敏昊，中国人民大学王聪，以及厦门大学谭元植为一起通讯作者，论文协作者还包含厦门大学谢素原、中国人民大学季威、兰州大学安钧鸿、南京大学詹德川、王学锋、万建国、高小钦、周大蔚、高威帷、张帅、胡国睿、杨简、陈俊等。该研讨还得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研制方案、江苏省物理科学研讨中心等项目和单位的支撑。论文链接：
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