南京大学/厦门大学/中国人民大学,最新Nature Materials!

随着大数据、机器学习与科学计算快速发展，信息单元正朝着极小尺寸、多态存储、概率遍历三大方向演进，以突破集成密度与算力瓶颈。现有存储 / 计算单元难以同时兼顾三者：单原子 / 分子器件尺寸极小但多态可控性弱；忆阻器等多态器件概率调控精度不足；传统概率比特（p-bit）依赖磁隧道结、磁斯格明子等，存在尺寸偏大、能耗高、规模化难等问题。

内嵌富勒烯团簇（如 Sc₂C₂@C₈₈）具备碳笼保护、内部构型可调、多稳态电导特性，为构建超紧凑多级 p-bit 提供了理想平台，但此前尚未实现随机且可控的多级电导切换及概率计算应用。

南京大学物理学院、原子制造研究院宋凤麒、张敏昊团队与厦门大学谢素原、谭元植团队，中国人民大学季威、王聪团队等人在《Nature Materials》上发表了题为“A Sc₂C₂@C88-cluster-based ultra-compact multilevel probabilistic bit for matrix multiplication”的研究论文。

1.超紧凑多级 p-bit 新突破：首次在单个<1 nm 的 Sc₂C₂@C₈₈团簇中实现随机且可控的多级电导态切换，生成真随机序列自相关系数置信区间 ≤±0.02，随机性质量优异。

2.概率精准调控：通过电压调控电导态概率分布，实现0–1 连续可调，成功完成整数551 质因数分解（19×29），验证概率计算可行性。

3.单器件矩阵乘法：基于马尔可夫链态转移模型，单个 Sc₂C₂@C₈₈器件完成4×4 矩阵乘法，最大误差 <0.05、平均误差 <0.03，远超传统忆阻器阵列效率。

4.物理机制阐明：理论计算揭示电场调控团簇内部构型重排，通过能级调谐 + 势垒调控驱动多级稳态切换，为分子级概率器件设计提供理论支撑。

本文以Sc₂C₂@C₈₈团簇为核心，构建了<1 nm 超紧凑多级概率比特，实现随机且可控的多级电导态切换与高精度概率计算；单个 Sc₂C₂@C₈₈团簇在电场驱动下呈现 3–4 个离散电导态，随机序列随机性质量优异，态概率可 0–1 连续调控；基于多级 p-bit 成功实现整数质因数分解与 4×4 矩阵乘法，单器件完成传统阵列级运算，效率显著提升；理论计算阐明电场调控团簇内部构型重排的物理机制，为分子级概率器件、神经形态计算提供全新范式，推动超紧凑智能电子器件发展。

A Sc₂C₂@C₈₈-cluster-based ultra-compact multilevel probabilistic bit for matrix multiplication.Nature Materials.

DOI：10.1038/s41563-026-02609-3