智能手机里包含许多传感器，然而与荷兰代尔夫特理工大学Kavli纳米科学研究所的成员Sander Otte开发的11个原子的传感器相比，这些硅片就看起来非常巨大。虽然该传感器仅由几个原子组成，但它包含了商业等效产品中的所有功能。这包括一个传感元件、存储器、数据读出和一个 "复位按钮"，使它能够进行另一次测量（通信物理学，"原子尺度自旋动力学的远程检测和记录"）。

Otte逐个原子建立了传感器，以测量单个磁子（一种磁能的量子粒子）的快速脉冲，因为它在只有一个原子厚的短线上奔跑。

他通过将八个铁原子的磁旋耦合在一起来制造传感器元件，磁旋是亚原子粒子的一种量子特性，决定了原子的磁矩（其强度和方向）。一旦自旋被耦合，并且时刻对齐，八个原子就会作为一个单元进行。

Otte解释说：“我们想表明，我们实际上可以用单个原子构建一个装置，该装置被设计成使自旋集体做一些有用的事情。”

该装置的尺寸接近于材料从量子行为到经典特性的脆弱过渡点。物理学家对这一模糊区域知之甚少，这让Otte非常着迷。

使用扫描隧道显微镜记录的探测器装置（虚线矩形内）的显微镜图像，连接到由九个磁性原子组成的导线上。(图片：代尔夫特理工大学奥特实验室)

    操纵原子  

30年前，IBM的物理学家们开发出了一种利用扫描隧道显微镜（STM）产生的电场将单个原子从一个位置铲到另一个位置的方法。奥特还记得，他看到一张氙原子排列拼成 "IBM "的图像，心想："这就是我想做的事情。"

到了2000年代初，作为一名研究生，他就在做这件事。不过，奥特专注于具有内在磁性的原子，比如钴和铁。虽然研究人员可以用STM尖端的单原子在这些原子周围推来推去，但他们没有办法测量它们的磁性。

Otte修改了一个STM，就是为了做到这一点。这使他能够测量自旋。在他获得博士学位后，Otte花了15年时间学习如何操纵这些自旋。

"我们了解到，如果你把一个原子放在一个特定的环境中，它就会有一定的磁性强度和激发能量，并有一个优先的方向。"他说，"如果你把一个原子停在它旁边，耦合强度会根据距离而改变。

"慢慢地，我们扩大了我们的自旋系统与耦合磁场的工具箱。我们会把两个原子放在一起，然后添加第三个原子。我们会从铁原子开始，然后添加锰原子。慢慢地，我们学会了如何创造原子结构，使其表现出我们想要的行为方式。"

最终，他准备用这个工具箱来制造一些东西。

    传感器  

他很快就发现了一个原子大小的装置可以解决的问题。当磁性材料被激发时，其磁矩开始波动。这种波动像波浪一样在材料中移动，最终释放出被称为磁子的量子粒子，磁能的单位类似于光子，是光的单位。

马格尼子以巨大的速度移动，但很快就会消散。直接测量它们的唯一方法是用足够小的东西与经过的磁子相互作用。这就需要一个原子尺度的传感器。

从概念上讲，奥特的装置很简单。Otte用STM的尖端激发磁性材料。这就产生了一个磁子，它沿着一条9个原子长的 "线 "跑到传感器上，当磁子通过传感器时，传感器就像捕鼠器一样卡住。当他把STP尖端在上面移动时，就可以读出它是否已经跳闸。

这个装置有四个部分。第一个是八原子传感器。它由一排铁原子组成，这些铁原子的自旋，可以是向上的，也可以是向下的，它们以向上-向下-向上-向下的配置耦合在一起。当磁子击中第一个原子时，它的自旋就会翻转到向下的位置。这种变化又使下一个原子的自旋翻转到 "上 "的位置。这就改变了下一个原子，以此类推，直到八个铁原子全部翻转。

八个铁原子的作用就像一个记忆。它们保持新的自旋位置几秒钟，足够STM在上面移动并读取结果的时间。

最后，该装置还有三个原子作为复位按钮。它们位于传感器离磁子源最远的一侧。当Otte用STM通电复位时，他会产生一个磁场，将传感器的旋转翻转回原来的位置。

构成传感器元件的八个原子正好处于量子世界与经典物理学的边缘。它们小到足以通过翻转对量子马格农粒子做出反应，但大到足以在将STM尖端移过它们并进行读数的几秒钟内保持稳定。

然而量子世界一直在戳着那个传感器。虽然Otte在接近绝对零度的情况下运行实验，以尽量减少随机能量，但每隔一段时间，随机的量子跳跃还是会让他的传感器翻转。

"如果我们再增加两个原子，这样你就得到了10个原子，它的稳定性将增加一个数量级，"他说。"然而，在4个原子时，我们已经深入到量子体制中了。在12个原子时，我们深陷在经典体制中。所以这是介于两者之间的东西。"

奥特希望能了解更多。他说自旋是最简单的量子系统。

"如果我们能够控制它们，我们就拥有了最基本的量子构件，然后你可以构建任何东西，"他说。"这就是为什么我对自旋如此着迷，因为它是几乎所有其他种类的量子力学的原型。"

他的传感器位于那个世界的边缘，只是探测这个世界的一个开始。