一、创设微电子理论新模型
1．构建标准粒子物理学模型
2008年3月，英国爱丁堡大学和南安普敦大学的研究人员，与他们在日本和美国的合作伙伴一起组成的研究小组，在《物理评论快报》杂志上发表研究成果称，他们利用超级计算机构建标准粒子物理学模型。该模型比以往更为精确，是目前描述基本粒子最成功的理论。专家认为，这项成果具有里程碑式的意义，使标准模型理论离基础物理的完全理论越来越接近。
随着大量微观粒子在物理学实验中被发现，科学家提出使用规范玻色子，来描述强相互作用、弱相互作用，以及电磁相互作用这三种基本力的理论，即标准模型理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容，几乎涵盖一切微观现象。到现在为止，其理论预言，与以上三种力的实验测量结果，在测量精度范围内是一致的。但尚不能说，标准模型是一套万有理论，主要原因是组成物质的基本粒子有四种作用力，但标准模型理论并没有描述到重力。
物理学家一直在试图填补标准模型理论存在的缺口，这项浩大而繁复的计算过程，涉及到原子核内微小粒子夸克的行为。为了对其进行研究，科学家首先设计建造了一台速度每秒几十万亿次的超级计算机，其运算速度可跻身世界最快行列。计算机花费3年时间完成计算，并以最终实验结果证明，超级计算机和不断改进的理论技巧，使标准模型达到了前所未有的精确度。科学家将其形容为“梦幻般的成功”，但仍注意到如此大型的计算存在误差，这是实验测试所无法下定论的，下一步科学家将会把新计算方法与新实验结果相结合，解决这种隐患。
而就在近日，位于日内瓦附近的欧洲核子物理研究中心的研究表明，他们对大型强子对撞机的研发工作已经收尾。这一世界上最强大的粒子加速器，深埋于地下100米处的环状隧道里。其一旦启动，可以把质子束流分别加速到7万亿电子伏特的超高能量并使之对撞，从中找寻标准模型中最后一种未被发现的粒子：希格斯玻色子。希格斯玻色子被称为标准模型的基石，是惯性质量的源头，有了它的加入，不仅标准模型理论的检验和扩展会达到完美的程度，物质质量起源之谜也将会全面揭开。
2．提出量子状态新理论模型
2010年8月，美国锡拉丘兹大学的物理学家，在《物理评论快报》发现研究成果，提出一种违反泡利不相容原理的新理论模型，拓展了量子理论和相对论，有助于理解黑洞边界的物质行为。
宇宙中可看到、闻到、感觉到的所有事物，都具有一定的可预见结构，这是由于电子围绕着原子核的旋转都是按原子能阶一层层排列的。有序结构的基本原则就是没有两个电子同时处于同样的原子能阶（量子态），即一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子，这就是泡利不相容原理。该原理是以爱因斯坦相对论和量子理论为基础的。
然而，锡拉丘兹大学物理学家，却提出一种违反泡利不相容原理的新理论模型，即在特定条件下，不只一个电子能同时处在相同的量子态。这一新模型，或有助于解释黑洞边界的物质行为，以帮助科学家探索建立一个统一的量子引力理论。
像元素周期表中的化学元素那样，电子以有序的方式排列在原子能阶层，这使得物质都具有稳定的结构。正是这种潜在的稳定性，使我们能在时间和空间中准确定位一个目标物体（电子、质子和中子）。然而新模型指出，在量子引力巨大的地方，时空连续统一的景象就会被打破，极大地影响原子和电子跃迁中的旋转对称，电子从一个原子能阶跃迁到另一个能阶时，泡利原理就会被打破。
研究人员表示，尽管这种影响很小，但他们正利用高精度仪器进行观察以期发现这种状态。一旦发现，这将极大地动摇当前基本物理理论的基础。根据该理论模型，违反泡利原理，在自然界存在过很长一段时间，甚至比现在宇宙的年龄更长久；或者相反，其出现频率比一次著名的“蓝色月亮”（意即不可能之事）事件更少。
违反泡利原理，还有助于理解黑洞边界的物质是什么样子，虽然尚不清楚黑洞中会发生什么，但新模型提供了关于物质在黑洞引力之下原子塌缩的线索。此外，一个违反泡利原理的世界中，化学和生物也将迥然不同。
二、微电子机理研究的新进展
1．微电子内在机理研究的新成果
⑴用石墨证明量子效应。
2005年11月，国外媒体报道，铅笔中的石墨是一种矿物碳，当我们将铅笔在纸上划过，会留下一道道痕迹。这是由于石墨的原子层容易相互分离。这个特点也意味着，石墨很适合作电导体。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆，用胶带将石墨剥离到只有一层原子的厚度，科学家们将这个超薄的石墨层称为“石墨结构层”。
对超薄石墨结构层进行的实验，显示出一些奇怪的现象，在《自然》上的两篇论文中，科学家将此实验进行了详细说明。超薄石墨层是一种平面材料，它具有电导性能，但是这些电子却显示了与众不同的特性。
盖姆研究小组发现，这些电子在温度非常低的条件下，运动速度都不能降下来。从超薄石墨层电子的表现来看，这意味着它们基本上没有质量，或者从狭义相对论更精确的表述来说，是没有静止质量。它还显示出，至少这种二维石墨具有永恒传导的性能。这些电子是一种“无质量迪拉克费密子”相对论粒子，研究人员继续证明它们比其他半导体的电子运动速度快。同样地，尽管它们的速度是光速的四百分之一，但是仍然遵守著名的相对论方程E=mc2。
哥伦比亚大学物理学教授飞利浦·基姆领导的研究小组，独立证明了这些试验结果，而且还发现这些无质量的电子完全遵循量子霍尔效应。1879年爱德文·霍尔发现了霍尔效应。霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。霍尔效应在量子水平上也依然成立。两个研究小组在石墨实验中都得到了这个结果。
⑵发现与超导并存的超绝缘现象。
2008年4月，美国、俄罗斯、德国和比利时研究人员联合组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们在温度接近绝对零度和强磁场状态下，从氮化钛薄膜中发现了超绝缘现象，奇怪的是，超绝缘现象是由超导现象引起的。
1911年，荷兰物理学家卡茂林·昂尼斯意外发现，把汞冷却到－268.98℃时，汞的电阻会突然消失，从而首次发现了超导现象。
1957年，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出了著名的“巴库斯超导量子理论”，他们认为，在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一理论的提出使超导研究进入了一个新的阶段。
1962年，剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊提出，在超导结中电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。
超导现象研究中上述三次重大发现，与近期该联合研究小组的发现比较，表面上看，虽然研究结果相反，但从整体上看是一致的。
研究人员把氮化钛薄膜冷却到接近绝对零度的状态，也就是说符合约瑟夫逊效应，在这样的薄膜上外加直流电后发现，电流无损耗地经过薄膜，薄膜中产生了超导现象。但具有约瑟夫逊效应的氮化钛薄膜只是一种理想模型,实际上的薄膜是一种微小尺寸的颗粒结构，在低温环境下颗粒是一种超导磁畴，并被绝缘区包围。
研究人员把薄膜置于0.9特斯拉（为地球磁场2000倍）的强磁场、温度为70mK(K为绝对温度)的环境中后发现，薄膜的表现就像普通的绝缘体一样，但当温度降低到20mK后发现，电流急剧接近零，也就是电阻无限增大。原来，这里发生了量子现象，出现了与超导完全相反的现象：超绝缘。虽然这很奇怪，但超绝缘效应在实验中与超导现象同时存在，因为磁畴仍然具有超导性。
超绝缘现象的稳定性如何？众所周知，当温度高于临界温度、外界磁场高于临界场和外加电流高于临界电流的情况下，超导现象将被破坏。研究发现，在某些状态，超绝缘现象也存在类似的情况。
研究人员指出，尽管上述研究目前只是基础研究，但该超绝缘现象的实际应用非常重要，它能解决一系列化学电源上的重大问题。
⑶证实电子可分裂为自旋子和空穴子。
2009年7月，英国剑桥大学和伯明翰大学的研究人员，合作完成的一个实验，证实电子可分裂为自旋子和空穴子的理论假设，这一进展将有助于研制下一代量子计算机。电子通常被认为不可分。但1981年有物理学家提出，在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子。
本次实验中，研究人员把极细的“量子金属丝”，置于一块金属平板上方，再将金属丝之间的距离控制在30个原子的宽度，并置于约零下273℃的超低温环境下，然后改变外加磁场，发现金属板上的电子，在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时，分裂成了自旋子和空穴子。
研究人员说，人们对电子性质的研究，曾掀起半导体革命，使计算机产业飞速发展。现在，又出现实际研究自旋子和空穴子性质的机会，这可能会促进下一代量子计算机的发展，带来新一轮的计算机革命。
证实磁纳米接触可以制造出自旋波。2011年9月，瑞典哥德堡大学物理学教授乔汉·克尔曼领导、瑞典皇家工学院研究人员参加的应用自旋电子学研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们通过实验证实，磁性纳米接触会制造出纳米尺度的自旋波，这与10年前科学家提出的相关理论完全吻合。
有关专家认为，由于依据自旋波理论研制出的元件体积更小、更便宜、资源消耗更少，所以在手机和无线网络等许多领域，纳米尺度的自旋波将逐步取代现在通行的微波。
瑞典研究小组是在两年前开始这项研究的，其主要目的，是证明磁性纳米接触可以大量制造出自旋波。2010年秋天，他们在电子测量设备的帮助下，证明了自旋波的存在，并在《物理学评论快报》杂志上发表了相关论文。
在最新研究中，研究小组制造出直径约为40纳米的纳米接触，自旋波被造于3纳米厚的一薄层镍铁合金内，模拟显示，磁性纳米接触会让自旋波像水波一样扩展。
科学家们表示，这项研究成果，有望开辟出一个探索纳米尺度磁波的全新研究领域——“磁光子学”。它预示着，磁光子设备和电路的研发工作即将加快步伐。
研究人员认为，在今后几年内，磁光子研究领域有望取得突飞猛进的发展。这种磁光子技术兼具磁学与光学及金属特性，这意味着，它可以被整合入传统以微波为基础的电子电路中。与传统的微波技术相比，磁光子元件更适合小型化、微型化。
⑷揭示晶界阻碍高温超导体内电流流动。
2010年7月，美国佛罗里达大学物理学教授彼得·赫希菲尔德，与5位其他机构的研究人员组成的研究小组，在《自然·物理》杂志网络版上发表论文认为，晶界（grain boundaries）是阻碍高温超导体内电流流动的原因。
当20世纪80年代末，首次发现高温超导体后，科学家便认为高温超导体将给人类带来效率极高的磁悬浮列车和其他革命性的技术。然而，科学家的预期并没有得以实现。赫希菲尔德研究小组，在题为“晶界如何限制高温超导体内超导电流”的文章中，首次精确地阐述了陶瓷高温超导体的原子结构是如何阻碍电流流动的。
高温超导陶瓷导线由一排排原子组成。然而，在排列时，每排原子间存在着微小的晶格歪斜。这如同一张方格纸与另一张方格纸叠加时，纵横线没有完美对齐那样。在原子排相交的地方，电荷会出现堆积团，从而阻断电流的自然流动。超导体中分离原子排的晶界阻扰电流的观点，首次恰当地表述了，超导体难以实现其潜能，这一困扰实验物理学家20多年的现象。
在研究中，该研究小组的主要贡献是，构思和创立了与观察非常吻合的数学模型。赫希菲尔德表示，他们获得了抽象化的单晶界理论模型，该模型能够应用于所有这样的晶界结构。同时，他认为，虽然他们的理论模型，为研究人员解释过去和未来的实验结果，提供了更好的手段，但是该模型却不能帮助找到消除晶界阻碍电流流动的途径。然而，研究人员希望他们的模型，在今后能够促使人们开发出晶界限制性小些的高温超导体，从而让人们朝着实现超导体潜能的方向更进一步。
⑸揭示量子自旋液体的存在机理。
2011年8月8月12日，美国马里兰大学伯克分校联合量子研究所、美国国家标准与技术研究院，以及乔治敦大学联合组成的一个研究小组，在《物理学评论快报》上发表研究成果称，他们揭示了物质的量子状态自旋液体的存在机理，有望加深科学家对超导性的理解。
自旋液体不是人们能触摸到的物质，它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键。例如，在铁磁铁中，原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中，原子的自旋方向会上下改变，20世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。
研究人员表示，可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列，它可能会产生量子自旋液体。比如，有一个等边三角形的反磁铁，每个角上都有一个原子自旋，其中一个自旋向上，一个自旋向下，那么第三个原子采用什么方向自旋呢？它不可能同时与前两个方向相反，因此，物理学家用“挫败”，来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见，一个“挫败”自旋系统的妥协，是同时存在很多自旋方向，量子系统允许出现这种叠加状态。
在新实验中，研究人员研究了，当“挫败”现象，出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时，所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用。距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示；次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用，观察并计算了可能会出现的状态。
研究人员发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度，也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态，被证明为无序的量子自旋液体，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。
研究人员表示，很难想象，一个微小的二维物质，能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子。它会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋液体。而且，它与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了液体。
2．微电子性质研究的新成果
⑴破解磷酸二氢铵似于磁体的特有铁电性。
2007年10月，有关媒体报道，美国佛罗里达州立大学的研究人员，最近揭开一个困扰科学界长达70年的秘密，发现了磷酸二氢铵独特性质的原因，能帮助制造更强大的计算机内存和激光。
磷酸二氢铵拥有一些特殊的电特性，早在1938年就被发现了，但在近70年时间里，人们一直不知道其中的原因，令科学界感到困惑。
磷酸二氢铵和其它许多晶体一样，表现出铁电性。铁电材料类似于磁体，在特定温度下拥有正负极，能在外部电源移除后长时间保持其电荷状态，这使其很适合于用来储存和传输数据。
磷酸二氢铵作为铁电材料，目前广泛用于计算机内存、光纤、激光和其它光电领域。然而，让科学家感到困惑的是：它经常表现出特殊的反铁电性。磷酸二氢铵出现反铁电性现象时，晶体内一层分子拥有正负极，而下一层电荷则与之相反。整个晶体内一层层分子电荷彼此相反。
研究人员运用超级计算机，进行大量高度复杂的计算，先从理论上改变铵离子的角度，然后测量它对磷酸二氢铵晶体电特性的影响。结果发现化合物中铵离子的位置，以及晶体中压力和缺陷的存在，决定了它是否表现出铁电性和反铁电性。
这一研究有两个重要作用：一是有助于我们设计新的同时具备铁电和反铁电性的材料，从而促使计算机内存技术提升，推进量子计算机发展。二是寻找到测试材料的新方法。利用超级计算机，研究人员可对不同条件下材料的反应进行快速测试，这其中大部分是无法在实验室里进行的。
⑵发现碳化硅晶格缺陷可变成量子比特。
2011年10月，美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校，自旋电子及量子计算中心主管、物理学教授大卫·奥斯卡洛姆、研究生威廉姆·凯尔等人组成的研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们发现碳化硅中包含的晶格缺陷，可以在量子力学水平，被操控作为一种室温下的量子比特来使用。这一发现，使碳化硅有望成为下一代信息技术的核心，广泛应用于电子工业，探索超快计算、纳米传感等量子物理领域。
在传统半导体电子设备中，晶格缺陷是一种瑕疵，它们会把电子“陷落”固定在特殊晶格位上。但研究小组却发现，在碳化硅中，被晶格缺陷“陷落”的电子，能以某种方式初始化它们的量子态，通过一种光与微波辐射结合的方式，能对其进行精确操控和测量。这意味着，每个晶格缺陷都符合量子比特的要求，作为一种量子力学模拟晶体管来使用。
奥斯卡洛姆介绍说：“我们期待把这些不完美的瑕疵变得完美而实用，而不是让晶体变得完美有序，把这些瑕疵作为未来量子技术的基础。”
大部分材料的晶格缺陷都没这种属性，这和材料的原子结构及半导体的电子特征密切相关。目前，已知的唯一拥有相同特征的系统，是钻石中的氮晶格空位中心。由氮原子取代了碳原子及邻近晶格空位导致，也能在室温下用作量子比特，而其他物质的量子态要求接近绝对零度。但氮晶格空位中心的钻石很难生长，给制造集成电路带来很大困难。
相比之下，商业中用的高质量碳化硅晶体直径能达到几英寸，很容易用在各种各样的电子设备、光电设备和电动机械设备中。研究人员指出，碳化硅晶格缺陷适用于红外光，其能量和目前整个现代电讯网络所用的光很接近。未来的集成量子设备，有着精密的电子和光学线路，这些独特的性质让碳化硅成为最有吸引力的候选材料。
威廉姆·凯尔说：“我们的梦想是能自由设计量子机械设备。就像城市工程师能按照载荷能力、跨度设计桥梁一样，希望有一天量子工程师能按照量子纠缠度、与环境相互作用度等规格指标，来设计量子电器设备。”
⑶揭示铁电纳米材料亚原子结构及性质。
2012年7月8日，美国能源部布鲁克海文国家实验室物理学家朱毅梅、韩永建等研究人员，与劳伦斯伯克利国家实验室等研究人员组成的研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们利用电子全息摄影技术，拍下铁电纳米材料亚原子结构，并揭示了它的性质。研究人员指出，这是迄今拍下铁电亚原子结构最小尺度，有助于理解铁电材料的性质，扩大其研发和应用，研发新一代先进电子设备。
这种电子全息摄影术能以皮米（10的负12次方）精确度，拍下材料原子位移所产生的电场图像。朱毅梅说：“这是我们第一次看到原子的确切位置，并把它和纳米粒子的铁电现象联系起来。这种基础突破不仅是技术上的里程碑，也为工程应用带来了可能。”
铁磁材料日常生活中随处可见，这种材料本身有磁偶极距，指向北极或南极。这些偶极距自身趋向于排列整齐，由此产生了吸引和排斥的磁化作用。通过外加磁场翻转磁化作用，就能操控这些材料。
铁电材料与铁磁材料同族，它们在分子尺度也有偶极距，但是正负电极而不是磁极，通过外加电场也能翻转这种电极。这种关键特征，来自材料内部亚原子层面的不对称和排列现象。在新研究中，研究人员首次通过透射电子显微镜将这种现象拍摄下来。
目前的磁性存储设备，如大部分计算机中的硬盘，是通过翻转内部磁矩（对应于计算机二进制代码1或0），将信息“写入”铁磁材料。而铁电存储是通过电场把材料的两种电极状态结合起来，转化为代码，在计算机上写入和读出数据信息。而最终在效率上，铁电材料有望胜过铁磁材料。
铁电材料把信息存储在更小的空间，几乎是从微米下降到纳米。在纳米级别，每个粒子都是一个比特。但要扩展到应用设备上，必须知道怎样压缩它们才不会牺牲内部电极。理论上这是非常困难的，研究人员解释说，实验所演示的电子全息摄影术，能确定各种情况下的所需参数。
该研究揭示了单个铁电粒子能保持电极的稳定性，这意味着每个纳米粒子能作为一个数据比特。但由于它们存在边缘场，还需要一些活动空间（约5个纳米）才能有效操作。否则可能在扩展到计算机存储中时，不能保持代码完整性而破坏信息。韩永建说：“铁电材料能提高存储密度，每平方英寸铁电材料制成的电子设备存储的信息达到兆兆字节，新技术让我们离设计制造这种设备更进一步。”
3．微电子功能及作用研究的新进展
⑴确定磁性在产生高温超导体中起关键作用。
2006年7月6日，美国商业部国家标准与技术研究所中子研究中心、田纳西大学和橡树岭国家实验室联合组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文认为，磁性激发对高温超导体的作用大于振动的作用，磁性涨落是高温超导体中电子配对，并使电流不受电阻作用的关键因素。
这个发现将推动高温超导的应用，例如存储于分布电能的无损系统，高速通信中的超导数字路由器，以及其他效率更高的发电机与电动机。
⑵发现布基球可提高闪存效能。
2008年4月，美国研究人员发现，把布基球应用于手机和数码相机等的存储介质——闪存，可使闪存在低压下工作。这样不仅节省电能，而且可以延长闪存使用寿命。布基球是60个碳原子组成的球面形笼状分子结构，以往发现它在催化、超导、新材料诸方面有重要用途。
美国纽约科内尔大学的研究人员，首次把分子电子学原理，应用于非易失性存储器之一的闪存。研究人员通过把布基球加入到闪存结构中，增强了闪存在数据读写或删除数据过程中的电流，这样在写入或删除数据时就只需较低的电压。非易失性存储器，能够在断电情况下保存其存储的数据，闪存是其中的一个代表。
目前，闪存的主要瓶颈是电压问题。闪存在写入或删除数据时，要求相对较高的电压，但这种电压又会损伤闪存电路，缩短其使用寿命。研究人员说，将布基球应用于闪存后，有助于延长闪存的使用期限。
三、微电子动态观察的新成果
1．直接观察微电子的动态状况
⑴直接观察纳米尺度下磁性原子的相互作用。
2006年7月27，美国爱荷华大学、伊利诺斯大学和普林斯顿大学组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们直接观察到，半导体芯片上间距小于一纳米的，两个磁性原子间的磁相互作用。这项成果，使研究人员离实现高级半导体芯片的目标又近了一步。这种芯片，将利用电子的自旋性质来处理信息，也就是自旋电子学。
伊利诺斯大学物理与天文学系教授米纤尔·傅莱特说：“根据自旋电子学，一块计算机芯片可以完成处理数据和长时间存储数据的任务，而不用CPU和硬盘来分别实现。而且数据处理过程可以更快，能耗更少。”
大约20年前，IBM的研究人员们发现普通的半导体材料砷化铟，在掺入极少量磁性原子后在低温下显示出磁性。他们掺入的磁性原子是锰，那之后其它的磁性半导体迅速涌现。手机中使用的磁性半导体材料砷化镓掺入锰原子后呈磁性，但是也要在零下88度才有效。为了在未来的计算机芯片中得到应用，像砷化镓锰等磁性半导体材料，必须在更高的温度下纯净地实现，而且阻抗要小。
傅莱特说：“在纳米尺度下实现磁相互作用将有利于设计出更好的磁性半导体材料，以及它们在电子工业中的应用。”他与伊利诺斯大学助研唐建明，预言了磁相互作用可以通过扫描隧道显微镜成像。
傅莱特与唐建明预言，磁性相互作用强烈的依赖于半导体的晶格结构。一些位置相互作用很强，而另一些地方却很弱。锰原子掺入砷化镓后会出现在很多不同的晶格上。在统计上观察两个相隔不到一纳米的锰原子是很困难的。
傅莱特研究小组采取的是一种完全不同的方法来观察磁相互作用。他们一次只在纯净的砷化镓中掺入一个锰原子。普林斯顿大学物理教授阿里·雅兹达尼说：“利用扫描隧道显微镜的探针，我们可以一次只在基底材料上移动一个原子，在用金属原子替代它的位置，这样基底材料就有磁性了。”这时科学家们首次对原子尺度的半导体材料进行操作。
扫描隧道显微镜与普通的光学显微镜很不同，它有一个非常精确的点状探针。探针可以在材料表面扫描，通过电场的变化来探测材料表面结构。但是雅兹达尼的实验室发现带电探针可以用来提取单个镓原子，然后用锰原子替代它的位置。
通过掺入锰原子，研究人员们创造出一个原子尺度的实验室，它能对芯片中原子和电子相互作用进行精确成像。该研究小组利用他们的新技术，发现锰原子的最优化排布与傅莱特和唐建明的预言一致。
傅莱特指出，接下来需要把这项新研究的结果用于芯片技术中去，可是利用扫描隧道显微镜制造出大面积的高质量砷化镓锰却并不太现实。但是从锰原子的最优化排布中学到的经验，可以用于其它的磁性半导体材料的生长技术中去。
⑵首次观测到重电子费米面。
2009年5月，日本原子能研究开发机构、东北大学、东京大学和京都产业大学等联合组成的研究小组，在《物理评论快报》网络版上发表研究成果称，他们在世界上首次成功观测到金属中重电子形成的费米面，即绝对零度下电子在波矢空间（k空间）中的分布或填充而形成的体积表面。
金属中的电子主要分为两种，一种是四处游动，承担电传导的“自由电子”，另一种是不游动，但负责产生磁性的“局部电子”。这两种电子之间会相互作用，并结合在一起，形成外观大小是普通电子10倍至1000倍，同时具备电传导性和磁性，而重量也有所增加的“重电子”。
同时，各种金属都有自己固定形态的费米面，而各种金属的导电特性也因其各自的费米面不同而有很大区别。由于重电子也可以形成费米面，因此人们设想，如果能够观测到其形成的费米面，就有可能根据重电子所承担的电传导性质，精密地了解各种金属在超导状态下的细微不同之处，从而为判明超导之谜找到突破口。只不过这一设想由于条件所限，一直都没能实现。
日本研究小组，在大型同步辐射设施“SPring-8”的专用电子束射线“BL23SU”区域，通过使用软X射线，同步辐射的角分辨共鸣光电子能谱技术，对特定的电子轨道进行选择性的观察，最终在世界上首次直接观测到重电子形成的费米面。研究人员表示，今后他们的重点，将是继续使用角分辨共鸣光电子能谱技术，系统研究重电子在制造什么样的费米面时，金属才会出现超导性和磁性。由于在具有重电子的金属中，磁性与超导性是共生的，因此这项研究，将大大推动人们揭开超导原理的步伐。
2．通过画面或影像观察微电子运动状况
⑴首次成功捕捉电子运动画面。
2008年2月，瑞典隆德大学工学院的一个研究小组，在《物理评论快报》杂志上发表论文称，他们成功捕捉到电子运动的连贯画面，该成果在世界上尚属首次。这是继2007年，科学家首次在晶体中测到渺秒级速度的电子运动后，又一重大突破。
电子绕原子核旋转一周，约需150阿秒(1阿秒=10的-18次方秒)的时间，这种速度接近于光速，若想拍摄到其运动图像而不产生模糊，则需要极短的闪光。此前的闪光技术，一直未能达到这种标准，直到本次科学家以强激光实现超短脉冲，即阿秒脉冲。不同于之前微弱到难以清晰成像的阿秒脉冲，新技术加入了频闪观测仪。
频闪技术，长于对高速旋转或运动着的物体进行观测，通过调节闪动频率，可使其与被测物的转动速度接近并同步。被测物虽然处于高速运动，看上去却是缓慢运动或相对静止的。新技术快速、精准，能于同一时刻捕获数张成像，效果仿如将电子的周期性运动“冻结”。
测试过程中，科学家首先以激光束，使电子产生定向运动，当其与一个原子发生相互碰撞时，利用阿秒脉冲顺利捕捉出当时的运动图像。虽然捕捉到的只是光的单一振幅，但成像却类似于一段影片，便于观看且能有序地展示出电子的能量分配。
专家表示，电子运动画面的捕捉成功意义重大，可在此基础上研究电子与不同对象发生碰撞时的行为，也可以更多了解原子失去电子后的状态，如其他电子在何时以何种方式填补逃逸电子留下的空缺，而研究人员也期待着此项基础性研究能得以实际应用。
⑵首次拍下单个分子照片。
2009年8月，《每日邮报》报道，IBM公司项目首席科学家利奥·格罗斯领导，格哈德·梅耶等研究人员参与的研究小组，首次拍摄到单个分子的照片，而一个分子要比一粒沙小百万倍。借助原子力显微镜，研究人员把单个并五苯分子的照片呈现在人们面前。在照片中，并五苯分子看起来像蜂巢一般，呈栅格状。
格罗斯说：“这是首次拍摄下一个分子内所有原子的全家福。”照片显示了并五苯分子的原子连接方式。并五苯常用于太阳能电池制造。它的分子结构呈矩形，是一种有机化合物，由22个碳原子和14个氢原子组成。
在科学家拍摄的并五苯分子照片中，5个六边形碳环结构清晰可见，甚至环绕碳环的氢原子也能看到。事实上，并五苯碳环之间的间隙非常狭小，只有0.14纳米，是一粒沙子直径的百万分之一。
梅耶说：“如同医生利用X光为病人的内脏和骨骼拍照一样，我们通过原子力显微镜为原子结构拍照，这是组成单个分子的主干。”IBM苏黎世研究中心的研究小组表示，这一科研成果具有重要意义，对纳米科技将会产生深远的影响。
对单个分子观测拍照，除了要用到最为先进的原子力显微镜外，还必须在零下268℃的真空环境中进行。之所以这样做，是为了避免“来回游荡”的空气分子，影响到测量和摄像的准确度。
梅耶说：“我们从事这项研究的最终目的，就是希望能在分子电子学上取得突破。这样我们将来就能制造出尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片，甚至制造出能放在针尖上的芯片也不是没有可能。”
⑶拍摄展现复杂分子物质波的量子电影。
2012年3月26日，物理学家组织网报道，一个由奥地利维也纳大学、以色列特拉维夫大学等机构研究人员组成的国际小组，成功地为一种染料分子拍摄了一段量子电影，揭示了分子物质波相干图案逐渐增强的形成过程，将物质的波动性和粒子性、随机性和决定性、定域性和非定域性形象化地展现出来。相关论文发表在《自然·纳米技术》上。
按照量子物理学理论，复杂粒子也具有波动性。物理学家理查德·费曼曾提出，物质波也会带来相干效应。人们已经能观察到一些电子、中子、原子和分子的物质波相干。
该成果研究实验中，使用了最先进的分子裁切和纳米成像技术，瑞士巴塞尔大学提供特制的染料分子，是一种高荧光染料酞菁及其衍生物分子，原子量分别为514（AMU）和1298（AMU）。以色列特拉维夫纳米技术小组，用聚焦离子束将氮化硅，切成仅10纳米的薄膜（约50层氮化硅）作为分子栅。
研究小组利用激光控制微蒸发源，按照所需的密度和相干性产生了一束染料分子，并让染料分子穿过氮化硅分子栅，以减小分子间范德华力的影响，当分子随机打在探测屏幕上，便可实时拍摄下，每个分子的量子相干图案逐渐加强的过程。实验中所用的广域荧光显微镜，空间分辨率达到10纳米，能显示出每个分子的位置和确定的整体相干图案。
研究人员指出，他们在实验中结合了显微技术，可用于分子束的产生、衍射和探测，有助于把量子干涉实验拓展到更多更复杂的分子、甚至原子干涉仪。对物理教学而言，该实验也具有重要意义，它以肉眼可见的方式，形象地揭示了单个粒子复杂的量子衍射图，让人们实时地看到这些图案在屏幕上出现，并持续几个小时。在实际应用方面，有助于深入了解固体表面分子性质，为将来研究原子薄膜衍射提供一种新方法。
