地殼里到處都是硅，為什么高純的這么難造？

2026年6月15日，中核集團發布了一條重磅消息：中國首次實現了豐度超99.99%的硅-28同位素自主量產。這是一次關鍵基礎材料方向的突破，由中核集團核工業理化工程研究院（核理化院）團隊完成。該團隊此前已先后成功實現鉬、碲、鎳等12種元素、26種穩定同位素的生產，并持續推動穩定同位素分離技術的工程化與產業化。

圖片截自央視新聞

硅-28純度的突破，

為什么這么重要？

要理解這項技術的重要性，首先要知道硅-28究竟是什么。

硅是地殼中含量第二豐富的元素，僅次于氧。但在自然界中，它幾乎不以單質形式存在，而是主要以二氧化硅（如石英）和各種硅酸鹽礦物的形式存在。而從原子層面來看，硅元素本身由三種穩定同位素組成：硅-28約占92.2%，硅-29約占4.7%，硅-30約占3.1%。它們的化學性質幾乎完全相同，但在原子核結構上存在差異。

其中，硅-28的原子核由14個質子和14個中子組成，屬于“偶-偶核”，核自旋為0，可以想象為一個安靜、幾乎不擾動周圍環境的微小球體。而硅-29多一個中子，核自旋為1/2，更像一只不斷旋轉的小陀螺，會產生微弱磁場。對普通電子產品而言，這種差異可以忽略不計；但對量子計算和部分高端芯片而言，這種微小差異卻可能成為性能的決定性因素。

以硅基量子計算為例，科學家通常利用單個電子的自旋狀態來存儲信息：電子自旋向上代表一種狀態，向下代表另一種狀態，從而構成量子比特（qubit）。問題在于，電子對周圍環境極其敏感，硅-29原子核產生的微弱磁場會不斷擾動電子狀態，就像有人在旁邊不停晃動桌子，使原本穩定的信息難以維持。

為衡量量子比特能穩定保存信息的時間，科學家引入了一個關鍵指標——“相干時間”（Coherence Time），可簡單理解為：量子比特在不受外界干擾的情況下，能夠穩定保存信息的時間長度。相干時間越長，量子比特越可靠，可連續完成的計算步驟越多；反之，若相干時間過短，量子信息尚未完成計算就可能發生隨機變化甚至丟失，計算結果自然難以保證。

因此，對量子計算而言，一個重要目標就是盡可能減少環境中的各類干擾源。而天然硅中約4.7%的硅-29，恰恰是重要干擾源之一。高純硅-28的價值正在于此：通過同位素分離技術大幅去除硅-29，可顯著降低核自旋噪聲，為量子比特提供更“安靜”的工作環境，從而延長相干時間，提高量子計算系統的穩定性。此外，降低硅-30的含量雖不直接減少磁場噪聲，但有助于提升材料一致性與熱導率，對先進半導體器件同樣具有重要意義。

此次實現99.99%的硅-28豐度，意味著絕大多數可能產生干擾的同位素已被去除，剩余雜散同位素數量的大幅下降，對量子計算這類對材料純度極度敏感的領域而言，意義尤為重大。

為什么要自主量產？

全球范圍內，能提純高純度硅-28的國家屈指可數。在此次突破前，全球硅-28供應長期處于高度集中、對外依賴明顯的格局。由于同位素分離屬高技術壁壘領域，能夠穩定實現工程化生產的國家和機構十分有限，目前全球僅有俄羅斯等極少數國家具備規模化生產高豐度硅-28的能力，西方國家在這一領域的商業化進程也正在加速推進。

在此背景下，中國此次實現99.99%硅-28的自主制備與工程化生產，打破了國外技術壟斷，填補了我國在該領域的空白，使該關鍵材料首次具備了國內穩定供給的基礎能力，也意味著我國在該領域正逐步擺脫外部供應限制，進入自主可控的發展階段。

高純硅-28 能用來做什么？

值得注意的是，此次突破正值《核技術應用產業高質量發展三年行動方案（2024—2026年）》收官之年。方案明確提出要推動穩定同位素分離技術的工程化與產業化，硅-28的成功量產，正是向這個目標交出的一份關鍵答卷。

盡管量子計算是高純度硅-28最耀眼的應用場景，但其用途遠不止于此：

先進制程半導體：芯片制程越小，晶體管密度越高，散熱問題越突出。基于高純硅-28 制備的半導體器件，熱導率在特定條件下可顯著提升，有望降低芯片工作溫度并延長載流子壽命，在高端芯片制造領域具備廣闊應用潛力。

高端導航：硅-28 的晶格常數更均勻，可用于制造高精度慣性導航器件，使晶體結構更接近理想狀態，從而減少微觀應力與熱擾動對 MEMS 慣性器件的影響，降低零點漂移誤差，提升衛星導航與高精度慣性測量等設備性能。

精密計量：超高純硅-28 的晶體結構近乎完美，可用于制作計量單位“千克”基準的硅球，精確測量阿伏伽德羅常數，推動質量計量基準的精準化發展，助力國際計量體系變革。

其他前沿領域：同位素地質年代學、核醫學、基礎物理研究、先進醫療、空間探測等，均離不開高純同位素材料。

穩定同位素——現代社會的關鍵材料

在了解硅-28的同時，我們不妨稍微拓展一下視野。穩定同位素是指某種元素中不發生或極不易發生放射性衰變的同位素，和放射性同位素相比，它性質穩定安全，沒有放射性危害。在現代社會中，穩定同位素已經成為諸多關鍵領域離不開的材料——生物醫藥領域的PET-CT診斷、環境科學領域的污染物溯源、核工業中的反應堆防護，乃至前文提到的量子計算與精密計量，都離不開它們的支撐。

長期以來，全球僅極少數國家具備穩定同位素規模化生產能力。我國穩定同位素高端產品長期依賴進口，對相關產業發展和關鍵領域安全造成影響。核理化院開展穩定同位素研發，正是踐行國家戰略、保障關鍵領域產業鏈供應鏈安全的重要舉措。目前多個穩定同位素產品已實現國產化供應，正向著產能規模化、產品系列化的目標穩步推進。

最后總結一下，硅-28 是一種典型的基礎性關鍵材料，它不會直接變成消費者手中的手機或電腦，但沒有它，硅基自旋量子芯片和部分高端半導體方向的探索就將步履維艱。當然，這并非終點。從實驗室走向工業量產，豐度和產能尚有提升空間，也還有較長路程要走。

然而，這是一個至關重要的起點——在關鍵基礎材料上實現自主可控，意味著中國在量子計算、先進半導體、高端導航等戰略領域的競爭力，不再受制于材料供應。

參考文獻

[1] 央視網. 中國“純硅”成功突破!我國攻克硅基量子芯片關鍵材料[N/OL]. (2026-06-15)[2026-06-22]. https://news.cctv.com/2026/06/15/ARTI9coaszWMx2q8X7RzRr27260615.shtml

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審核丨謝全新 核理化院穩同領域首席專家、中核新科總工程師

策劃丨丁崝