第一篇圣杯论文是由IBM研究员Phaedon Avouris撰写的，他对新工具的力量感到兴奋，这些工具使化学家能够在原子水平上操纵物质．

1981年，IBM的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer设计了第一台扫描隧道显微镜(STM)，这项发明很快就吸引了他们的注意授予诺贝尔物理学奖．四年后，宾尼格获得原子力显微镜专利(AFM)，一种类似的设备，通过测量样品和尖端之间的力来探测材料的原子结构，而不是像STM那样测量电流。今天，许多仪器将这两种系统集成到同一个设备中，从而可以同时分析力和电流。

让我们兴奋的是，除了能够看到“原子”，我们还可以在这个尺度上做出改变

Phaedon Avouris, IBM研究院

在这些发现之前，Avouris使用衍射方法研究固体表面的化学和物理，但他很快意识到新技术的力量。“当STM出现时，我很早就参与其中，开始观察我们通常所说的‘原子’——基本上是原子排列电荷密度的某种表示。我们完全惊呆了。这太有启发性了，”他回忆道。“这与衍射告诉我们的宏观平均结构是如此不同，有如此多的局部变化、缺陷和不同的结构域(由STM揭示)。”

Avouris和他的团队会工作到深夜，以尽量减少人们在建筑物周围走动所产生的振动对他们超精确实验的影响。他回忆道:“当我们一遍又一遍地扫描它时，我们注意到表面发生了变化。”“在我们做了一些仔细的实验之后，我们意识到有些变化不是自发的——我们实际上是在诱导原子运动。”

很明显，随着STM尖端的移动，机械力可以使原子沿着表面滑动。通过施加电流，原子甚至可以从表面跳到尖端，然后再跳回来。“除了能够看到‘原子’，我们还可以在这个尺度上做出改变，这让我们很兴奋，这在当时是闻所未闻的。”这真是太令人兴奋了，”Avouris说。

接下来是一系列令人惊叹的实验，展示了化学家现在可以对他们的样品施加难以置信的控制水平。在1990年的一次标志性演示中，IBM的Don Eigler和Erhard Schweizer在非常低的温度下使用STM在结晶镍表面移动35个氙原子，拼出公司的名字．三年后，Eigler的实验室使用类似的技术在铜表面上构建了一个由48个铁原子组成的环。这被称为“量子围栏”，因为非凡的驻波模式由结构内部的表面电子产生。

“在最初的结果和乐观情绪爆发之后，多年来，我们慢慢意识到，接下来的步骤比我们想象的要困难得多，”他说克里斯·鲁茨他于1990年加入艾格勒的团队。“通过在紧密排列的表面上排列分离良好的原子，我们获得了许多新的物理学，但在任何紧密排列的结构中，都很难看到原子的排列，很难识别给定原子的元素，也很难把原子放在我们想要形成分子的地方。”

确定原子

2000年出现了重大突破，当时由saw - wai Hla领导他当时在柏林自由大学(Free University of Berlin)工作执行乌尔曼耦合的反应。首先，他们使用STM尖端的电压脉冲从两个碘苯分子中提取碘。然后，他们用尖端将产生的两个苯基拖到一起，然后提供足够的活化能，使它们融合在一起，形成一个联苯分子。

不久，一群人奥斯卡Custance而且Seizo盛田昭夫在日本大阪大学，用AFM进行了一些令人惊讶的室温操作。2005年，他们用AFM进行了实验可控横向操作由半导体顶层的原子组成。三年后，他们证明了半导体上层的原子可以互换原子来自原子力显微镜的尖端。该团队甚至证明，用AFM可以区分不同类型的原子。

“我认为这绝对是原子操纵领域的一个重大里程碑，”他说狮子座总他是IBM位于瑞士苏黎世的原子和分子操纵小组的组长。格罗斯解释说，科斯坦斯的发现激发了他的团队开始使用AFM，以前只专注于STM。

2009年，格罗斯的团队取得了又一次飞跃。通过附着一个一氧化碳分子到AFM尖端，他们可以极大地提高图像的分辨率，以至于他们可以看到有机分子中的单个键。CO的提示甚至使Gross和他的同事能够区分不同类型的债券。去年，他们用这种技术研究一种罕见的碳同素异形体多年来，理论化学家对其结构一直争论不休。竞争对手认为，环[n]碳既可以是由交替的单碳键和三碳键形成的“多环”结构，也可以是具有连续双键的“累积”结构。问题是这些化合物是高度反应性的，很难研究。

格罗斯的研究小组从一种被蒙面的分子开始哈利安德森他在牛津大学的研究小组。掩蔽基团使材料足够稳定，使其沉积在惰性表面上，冷却到5K。“然后，通过电压脉冲，我们可以去除这些掩蔽基团，形成环，”格罗斯说。“然后我们使用我们的高分辨率成像，我们看到的是一个九重对称结构，其中九个三键变得明亮，在AFM中产生更多的排斥，而单键变得黑暗。”因此，通过拍摄这些图像，我们实际上可以发现它是一个多元结构。”

数据存储的未来?

其他技术进步正在为原子操纵开辟可能性。这项研究的驱动力之一是创造纳米级设备和更小的数据存储的愿望。

30年前，艾格勒和施韦泽连续工作了22个小时，才用35个原子拼出了“IBM”这个单词。到2016年，一个自动化的STM花了同样多的时间写入一千字节的数据控制铜表面超过8100个氯原子的位置。桑德Otte他在代尔夫特理工大学(Technical University of Delft)的团队使用该系统进行蒙特卡罗模拟，并对理查德·费曼(Richard Feynman)的文章进行编码底部有很多空间和达尔文的关于物种起源．

如今，卢茨负责IBM的纳米磁学项目，并致力于通过控制单个原子的自旋来进一步推动数据存储的极限。卢茨说:“大约从2000年开始，我们开始更深入地研究磁性，我们建造了一个可以冷却到半开尔文的新机器，磁场高达几特斯拉，这让我们可以研究塞曼能来翻转原子的自旋。”2012年，他们制造了一种磁记忆钻头只有12个铁原子．通过STM尖端的单一电流脉冲，IBM团队可以同时翻转所有12个原子的自旋——在两个磁态之间切换微小的反铁磁体。

近年来，该小组开发了一种利用STM的电子自旋共振的方法。这给了他们控制原子核自旋的能力单个原子，甚至用这些原子作为传感器来测量附近其他原子的磁性。

“我们几乎每天都在研究一个原子，这让我感到惊讶。卢茨说:“我经常会停下来思考，我们今天正在研究的一个原子是如何坐在我旁边的氦杜瓦瓶里的，明天它很可能还在同一个地方。”“这种原子所做的事情可以改变我的一天，是好是坏，它的表现代表了这种同位素的每一个原子在相同的情况下会做的事情。”

在撰写这篇圣杯论文几年后，Avouris的研究方向发生了变化，他在2016年退休之前，继续在碳纳米技术领域做出了重大贡献。但他满怀深情地回忆起自己作为原子操纵者的时光。“这是一个非常美丽的领域，它让你对真实空间中的原子和分子世界有独特的见解。我仍然喜欢它。”“在我的研究生涯中，最快乐的时光是在深夜，我和我的博士后会坐在屏幕前，欣赏我们眼前看到的奇异风景。”

更正:本文于9月29日更新，之前的版本给出了奥斯卡·科斯坦斯在室温操纵方面的早期工作的错误归属，并没有提到森田正人是联合领导人。