隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，硅基芯片受限于物理工藝極限，尋找其他芯片材料是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

開殼磁性納米石墨烯作為一類新型碳基量子材料，具有強(qiáng)大的π自旋中心和非同尋常的集體量子磁性，對(duì)于在分子水平上開發(fā)高速電子器件或創(chuàng)建量子比特（量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊）至關(guān)重要。

表面合成方法的出現(xiàn)使量子材料得到廣泛發(fā)展，然而該方法受到更高選擇性和效率的限制，要在原子水平上精確制備和調(diào)控這類量子材料的性質(zhì)仍然具有挑戰(zhàn)性。

鑒于此，清華大學(xué)的王笑楠副教授聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）Jiong LU副教授、Chun ZHANG副教授等人通過整合探針化學(xué)知識(shí)和人工智能，開創(chuàng)了化學(xué)感知原子機(jī)器探針（CARP）的概念系統(tǒng)，以在單分子水平上制備和表征開殼磁性納米石墨烯，實(shí)現(xiàn)其π電子拓?fù)浜妥孕龢?gòu)型的精確構(gòu)建。

CARP由一系列經(jīng)過表面化學(xué)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)開殼磁性納米石墨烯的自主合成，并有效地從實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取有價(jià)值的隱藏信息，為全面理解探針化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的理論模擬提供重要支持。

相關(guān)研究以《Intelligent synthesis of magnetic nanographenes via chemist-intuited atomic robotic probe》為題，于 2024 年 2 月 29 日發(fā)表在《Nature Synthesis》上。

CARP可在原子精度上高效制造量子材料

研究利用此前該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜位點(diǎn)選擇性環(huán)脫氫化反應(yīng)的化學(xué)家專業(yè)知識(shí)來訓(xùn)練CARP概念。

結(jié)果顯示，CARP框架可以有效地采用來自表面科學(xué)家的知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解的任務(wù)，成功模仿有經(jīng)驗(yàn)的表面科學(xué)家的工作流程，執(zhí)行操縱幾何構(gòu)型和自旋重?cái)?shù)的單分子反應(yīng)。這是有史以來首次由人工智能（AI）推動(dòng)的探針化學(xué)反應(yīng)。

CARP學(xué)習(xí)范式為理解基本機(jī)制提供見解

此外，研究團(tuán)隊(duì)最大限度地利用人工智能的能力，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取深層信息。為了利用CARP的深層信息，其建立了一個(gè)智能學(xué)習(xí)范式，使用基于博弈論的方法來檢驗(yàn)框架的學(xué)習(xí)成果。

分析表明，CARP有效地捕獲了人類可能會(huì)忽略的重要細(xì)節(jié)，特別是在使環(huán)脫氫化反應(yīng)成功的因素方面。這表明CARP框架可用于進(jìn)一步深入了解未探索的單分子反應(yīng)機(jī)制，潛在地加速亞埃尺度上的研究。

本項(xiàng)目的目標(biāo)是在原子水平上創(chuàng)建、研究和控制這些量子材料，也在努力改變?cè)诒砻嫔仙a(chǎn)這些量子材料的方式，以便更好地控制成品，甚至到達(dá)個(gè)別原子和鍵的水平。

未來將進(jìn)一步擴(kuò)展CARP框架，以采用多樣化的表面探針化學(xué)反應(yīng)，并提高其規(guī)模和效率。它可能在加速量子材料的基礎(chǔ)研究并將納米制造提升到智能原子制造的新時(shí)代中發(fā)揮關(guān)鍵作用。