近日，南京大学物理学院、原子制造研究院宋凤麒、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、王聪团队等合作，在原子制造领域取得重要进展。研究人员在内嵌金属富勒烯团簇Sc2C2@C88 晶体管中，实现了原子操控，首次同时实现了多电导态、真随机数生成、质因数分解与高精度矩阵乘法，展示了原子制造技术构建未来超紧凑智能信息单元的巨大潜力。相关成果以“A Sc2C2@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。
随着集成电路逼近物理极限，传统“自上而下”的微缩路径面临严峻挑战。原子制造 —— 即从原子尺度出发、按需构筑物质与功能器件的制造范式 —— 被认为是突破当前信息密度瓶颈和未来原子芯片的关键技术之一。实现兼具极小尺寸、多态存储与概率计算三大功能的“全能型”信息单元，是原子制造领域在信息器件方向的核心目标之一。
然而，在同一单元中同时集成这三种特性面临极大的物理挑战。本工作通过负反馈控制电迁移裂结技术，成功将单个 Sc2C2@C88团簇（尺寸 < 1 nm）构筑为晶体管沟道，实现了对单团簇晶体管进行原子操控再到新型计算功能的全链条突破。
图1 Sc2C2@C88团簇的单电子输运。a. Sc2C2@C88示意图及晶体管电镜照片。b. FCEBJ过程中源漏电流（Isd）–电压（Vsd）关系曲线。红线为起始线，蓝线为终止线。插图为FCEBJ过程前沙漏形纳米线的扫描电镜图像。c. Sc2C2@C88晶体管中不同Vg值下的库仑阻塞现象。d. 微分电导（dI/dV）随Vsd和Vg变化的映射图。e. 从与图d对应的电流映射中提取的电流–栅压关系曲线。f. Vg = 0 V时的Isd–Vsd曲线。根据红色和蓝色标记，器件表现出随机开关行为。
研究团队选取的Sc2C2@C88 团簇，其碳笼对称性、内嵌 Sc2C2取向及 C2 二聚体排布共同构成了极其丰富的能量景观。在低温条件下，实时电学测量显示，该单团簇器件的电导态可在三至四个不同电平之间随机且稳定地切换，形成真正的概率比特。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，通过调节偏压，能够调节单团簇晶体管势能面，进而调控内嵌原子，使得多电导态的概率分布可在“0”和“1”之间连续变化，实现单团簇晶体管的原子操控。基于这种可控性，团队利用单个概率比特成功实现了整数551的质因数分解，准确找到素数因子19和29。
进一步，研究团队将单团簇的多电导态推广到四态，形成马尔可夫多态元件，实现了在同一器件中同时容纳矩阵元素与矩阵乘法。通过提取不同偏压下的状态转移矩阵并进行乘法运算，实测结果与直接计算值之间的矩阵元最大误差小于0.05，平均误差低于0.03。这一结果展示了原子制造的信息单元在矩阵计算中的高精度能力，远优于传统单比特器件的精度水平。
图2 单团簇晶体管中的原子操控。(a-c) 电压对团簇电导态的调控，展示了六种不同电压下的情况。随着电压逐渐增加，高电导态的概率降低，而低电导态的概率增加。(d) 器件的电流-电压响应以及电导态的分割。如图所示，黄色虚线将器件划分为高、低两个区域，分别对应0和1。(e) 电压对概率的控制，展示了器件概率随电压变化的渐变过程。(f) 整数分解结果。对于每个要分解的整数，我们进行了20次重复计算，所有计算结果均收敛到正确结果。图中展示了使用8个比特位分解551的示例。下方的数据图显示了每次分解结束时器件的平均概率分布。(g) 高精度矩阵乘法，其最大误差和平均误差分别小于0.05和0.03。
结合密度泛函理论计算，团队系统考虑了 C88 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，并精确描绘了该系统的势能面。五个稳定构型之间的能量差异处于0.2 – 99.3 meV，且各自具有显著且方向各异的电偶极矩。电场既能调控构型相对能量，又能调节态间势垒，从而实现了电场辅助的簇构型在复杂能量景观上的马尔可夫过程。这一微观机制为利用原子制造手段设计更多功能性单团簇器件提供了理论依据。
图3 电场驱动下丰富能景观的演化。(a) Sc2C2@C88构型的势能面（PES）。不同构型由其Sc–Sc键矢量的取向定义。此处，ϕ和θ分别表示Sc–Sc方向与z轴和x轴之间的夹角。红色、绿色、蓝色、橙色和紫色点代表能量最高的五个态。所有其他计算得到的构型以黑色点表示。(b, c) 电场对势能面的调控：(b) 能垒调节；(c) 相对能量调节。(d) 最低能态的几何构型及电偶极矩方向。蓝色箭头表示宏观电偶极矩矢量。碳笼表面的不同颜色标记表示Sc原子的吸附位点。(e) 不同外加电场下态间转移矩阵的演化。
原子制造让我们能够从单个原子、单个团簇的层面重新设计信息功能单元。这次在Sc2C2@C88 单团簇晶体管中通过原子操控实现的多电导态随机切换及其计算应用，充分体现了原子制造理念在新一代信息器件方向的巨大潜力。未来，我们将进一步探索更丰富、更可控的单团簇功能库，推动原子级智能电子器件的实用化。
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共同第一作者，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共同通讯作者，论文合作者还包括厦门大学谢素原、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。该研究还得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、江苏省物理科学研究中心等项目和单位的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02609-3