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杠杆炒股配资2. 在微观世界构筑“立交桥”在后摩尔时代

光明图片/视觉中国

第一届激光制造与增材制造创新发展大会。新华社发

研究人员在检查芯片。光明图片/视觉中国

在某种意义上，人类文明的演进史，就是一部工具精度的进化史。从旧石器时代粗糙厚重的打制石斧，到青铜时代浇铸的礼器；从工业革命时期蒸汽驱动的钢铁洪流，到现代微电子工业中光刻机下诞生的硅基奇迹，人类一直试图以更强的力量、更精细的手法去驾驭物质世界。当前，制造的疆域已经推进到了肉眼完全无法触及的幽深秘境——纳米世界。在这个尺度上，科学家正以光为刃，掀起一场三维精密制造的革命。

1. 打破光的衍射极限

当我们谈论精密制造时，最熟悉的例子莫过于手机里的芯片。在指甲盖大小的硅片上，集成了数百亿个晶体管，这无疑是人类工程学的巅峰。制造这些芯片的核心设备是光刻机，它就像一支光的“画笔”，将复杂的电路图画在涂有光刻胶的硅片上。为了画出更细的线条（即更先进的制程，如5纳米、3纳米），工程师们不得不使用波长极短的光，比如极紫外光光刻机的波长为13.5纳米，只有发丝的万分之二的宽度。这是因为光学领域存在一条著名的铁律——衍射极限：光波很难聚焦到比其波长一半更小的尺寸。要想画得细，笔尖（波长）就必须足够细。

光刻技术本质上是一种平面艺术，它虽然强大，却并非万能。制造芯片就像盖楼，需要一层一层地堆叠、曝光、蚀刻，每一层结构本质上都是二维的。然而，光刻光束无法穿透材料深处进行定点加工，且极短波长的光很容易被材料吸收。如果我们想在材料的内部直接构建复杂的结构，或者想在一块完整的材料内部通过“挖隧道”来构建立体的光子高速公路或者信息存储器，又或者想在金刚石的深处精准地拨动某一个原子来制造量子开关……这时，传统的光刻机就无能为力了。

有没有一种能够无视表面阻隔、深入物质内部且精度能突破衍射极限的“三维雕刻刀”呢？有，这便是亚10纳米超快激光加工技术。

科学家利用飞秒激光实现了这一奇迹。一飞秒相当于一千万亿分之一秒，可以把光能压缩到极小的时间段内，并通过非线性光学的“多光子吸收”效应，使得原本透明的材料只会在激光焦点能量最强的一瞬间和一个极小的点上发生反应。就像我们拿着放大镜聚焦阳光，光线穿过透镜表面时没有任何热度，只有聚焦的那一点能点燃纸张。通过这样的技术手段，科学家成功打破了衍射极限的“枷锁”，将加工精度收窄到了10纳米以下，这仅相当于几十个原子排列的宽度。

2. 在微观世界构筑“立交桥”

在后摩尔时代，电子芯片面临着严重的“功耗墙”和“电子瓶颈”，因为电子在电路中奔跑时，产生的热量和延迟限制了算力的进一步提升。而光子以光速传输、无热损耗、高并行度的特性，成为理想的继任者。

如果说电子芯片是现代信息社会的基石，那么光子芯片则是通往未来的高速公路。但是，在亚10纳米尺度下制造光子芯片，其难度远超传统的光刻。因为光路交叉会产生干扰，传统芯片的“平面互连”在光子领域显得捉襟见肘。我们需要在微小的空间内实现高密度的光路互连，必须向“高度”要空间。

亚10纳米激光直写技术，正是构建真正的三维光子芯片的有力工具。科学家利用激光在光敏材料内部，像3D打印一样自由地“画”出光波导。这些波导的直径极小，且能在三维空间中自由弯曲，甚至像DNA双螺旋一样耦合缠绕。因为光对传输通道的平整度极其敏感，所以纳米级的加工精度对此至关重要。这就像是直接在玻璃或晶体内部架设起立体的、多层交错的“空中立交桥”。利用这种技术制造的三维光子芯片，不仅体积大幅缩小，还可以实现极高密度的片上互连。未来的超级计算机，可能不再是由无数根铜线连接的庞然大物，而是一块内部刻满了三维光路的玻璃立方体，数据在其中以光速穿梭，有望真正实现“光脑”的梦想。

3. 为量子世界“点睛”

当我们把视线从芯片转向更基础的物理层面，亚10纳米加工技术正成为开启量子大门的金钥匙。在量子计算和量子通信中，核心资源是量子比特和单光子源。制造这些量子单元，往往需要对材料进行原子级的精确操纵——这被称为“近原子制造”。

以金刚石中的氮—空位（NV）色心为例。这是一种完美的固态量子比特载体，它由金刚石晶格中的一个氮原子取代碳原子，并伴随一个空位组成。它不仅能产生单光子，还对磁场、电场和温度具有极高的感知灵敏度。然而，天然存在的NV色心在金刚石中是随机分布的，就像散落在巨大沙滩上的几粒珍珠，位置不可控，难以集成利用。

激光雕刻技术在这里上演了一场“点石成金”的戏码。通过使用极高精度的飞秒激光脉冲，科学家可以在金刚石晶格的特定位置精准地“敲”掉一个碳原子，并引导附近的氮原子归位，人工制造出NV色心，这要求加工精度必须达到亚10纳米甚至单原子水平。这不仅仅是制造光源，更是在制造最高精度的“量子尺子”。基于这些人工精确排列的原子级缺陷，科学家研制出了超高灵敏度的量子传感器。它们能够探测到单个神经元放电产生的微弱磁场，或者细胞内部温度的万分之一度变化。这意味着，在生物医疗领域，可以在不破坏细胞结构的情况下，深入细胞核内部进行诊断；在材料科学领域，可以通过磁场成像直接“看”到超导材料内部电子的微妙流动。

4. 赋予普通材料魔术般的特性

亚10纳米激光加工技术的应用远不止于此。在材料表面改性方面，激光正在赋予普通材料魔术般的特性，通过在金属或聚合物表面雕刻出纳米周期的微纳结构，可以从根本上改变材料的光学、润湿和机械性质。例如，模仿荷叶表面的纳米乳突结构，可以制造出超疏水、自清洁的“不沾”表面，水珠在其上会像弹珠一样滚落，并带走所有灰尘；模仿蝴蝶翅膀的复杂光子晶体结构，可以制造出无需化学色素、永不褪色的“结构色”材料，这种颜色源于物理结构对光的折射与干涉，可历久弥新。

该技术在超材料领域的应用更加令人惊叹。通过人工设计的微纳结构可获得天然材料不具备的物理性质，比如负折射率——这可以让光线违背常理地弯曲，理论上可以实现“隐身斗篷”的效果。要实现可见光波段的隐身，这些微纳结构的单元尺寸必须远小于可见光波长。激光直写技术使得大面积、三维复杂的超材料制造成为可能，让人类第一次拥有了“设计”物理定律的能力。

5. 像搭积木一样实现“原子组装”

那么，这项技术将把我们带向何方？如果说现在的亚10纳米加工是在“雕刻”——即通过减材（去除）或增材（固化）来成型，那么未来的方向将是“原子组装”。

随着激光技术与扫描探针显微镜（SPM）技术的结合，未来的制造可能不再是宏观的“切削”，而是像搭积木一样，利用光场（光镊技术）捕获和操纵单个原子或分子，将它们精确地放置在预定位置。这便是“原子制造”的终极梦想——《星际迷航》中“复制机”的雏形。在这个过程中，人工智能可能会进一步成为激光的“大脑”。比如，我们希望未来AI可以实时监控加工过程中的光信号反馈，以微秒级的速度调整激光的功率、波前和焦点位置，实现闭环控制。这种“智能光造”将极大地提高良品率，让原本只能在实验室里制备的纳米器件，得以走上工业化的流水线。

此外，基于亚10纳米技术的纳流控芯片或许也将彻底改变生命科学。在小于10纳米的通道中，流体的行为会发生质变，几乎所有的生物大分子，如DNA、蛋白质等都只能排成一列通过。这使得我们可以对单个DNA分子进行快速测序，或者对单个病毒进行捕捉和分析。未来的医疗诊断，可能只需要一滴血和一块刻满亚10纳米沟槽的玻璃片，就能在几分钟内解读出人体的健康密码。

亚10纳米激光加工技术生动展示了人类如何利用光的力量，在原子尺度上重塑物质秩序的光明前景。这不仅仅是制造技术的迭代，更是人类认知边界的拓展。在这场跨越尺度的精密制造革命中，激光，这束人类智慧凝聚而成的纯净之光，雕刻出的不仅是更快的芯片、更灵敏的传感器或更神奇的材料，它更在雕刻人类的未来。

（作者：李臻赜孙洪波，分别系清华大学博士后，中国科学院院士、清华大学教授）

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