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近日，北京師范大學物理與天文學院何林教授課題組與北京大學物理學院量子材料科學中心孫慶豐教授課題組緊密合作，首次在人造原子中實現了軌道雜化。相關研究成果以(yi)“石墨烯人造原子中的軌道(dao)雜化”(Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms)為題，于2025年2月26日在(zai)線發表在(zai)《自(zi)然》(Nature)雜志。
在量子(zi)受限(xian)(xian)(xian)系(xi)統中，受限(xian)(xian)(xian)準粒子(zi)類型極大地(di)影(ying)(ying)響體(ti)系(xi)的(de)性(xing)質。早期的(de)研(yan)究主要關注薛定諤方程描述(shu)的(de)傳統費米子(zi)的(de)量子(zi)受限(xian)(xian)(xian)行為，隨著石墨烯等二維(wei)體(ti)系(xi)研(yan)究的(de)深入，量子(zi)受限(xian)(xian)(xian)狄(di)拉克(ke)費米子(zi)的(de)新(xin)奇物性(xing)開始引起科學家們的(de)關注。近年來，何林課(ke)題組與孫(sun)慶(qing)豐課(ke)題組密切合(he)作，在量子(zi)受限(xian)(xian)(xian)狄(di)拉克(ke)費米子(zi)體(ti)系(xi)取得了一系(xi)列有廣泛影(ying)(ying)響力的(de)成(cheng)果：
1)在受限(xian)狄拉克(ke)費米(mi)(mi)子(zi)體(ti)系(xi)實現(xian)和探測(ce)了一系(xi)列受限(xian)傳(chuan)統費米(mi)(mi)子(zi)系(xi)統中不(bu)能實現(xian)的新奇量(liang)子(zi)態(tai)(tai)，包括原(yuan)子(zi)坍塌(ta)態(tai)(tai)、分子(zi)塌(ta)縮態(tai)(tai)、和耦合強(qiang)度連續可調的相對(dui)論(lun)性人工(gong)分子(zi)態(tai)(tai)等；
2)利(li)用磁場和電場調(diao)控了受(shou)限狄拉克(ke)費(fei)米子(zi)(zi)的新(xin)奇量(liang)(liang)子(zi)(zi)態(tai)，率先實現了具(ju)有谷(gu)差異的全新(xin)量(liang)(liang)子(zi)(zi)受(shou)限，并對谷(gu)極化量(liang)(liang)子(zi)(zi)態(tai)進行了精(jing)準探測(ce)；
3)利(li)用各(ge)向異性勢場調控(kong)了受(shou)限狄拉克費米子(zi)的(de)(de)新奇(qi)量(liang)子(zi)態，率先研究了不同(tong)軌道角動(dong)量(liang)之間的(de)(de)散射對量(liang)子(zi)相位和干涉的(de)(de)影響。最近，進一步發揮各(ge)向異性勢場的(de)(de)調控(kong)作用首次利(li)用量(liang)子(zi)受(shou)限態模(mo)擬(ni)了原子(zi)內軌道雜化。
自然(ran)(ran)界中的(de)(de)(de)物質(zhi)是(shi)由原(yuan)子(zi)組成。在原(yuan)子(zi)結合(he)構成物質(zhi)時，有兩個(ge)至關(guan)重(zhong)要過(guo)程：一是(shi)原(yuan)子(zi)內發生(sheng)軌(gui)道雜(za)化(hua)，二是(shi)原(yuan)子(zi)間化(hua)學鍵(jian)的(de)(de)(de)形(xing)成。目前，研究(jiu)人(ren)員(yuan)通過(guo)量子(zi)點(即“人(ren)造(zao)原(yuan)子(zi)”)之(zhi)間的(de)(de)(de)耦合(he)，已經在多(duo)種(zhong)體(ti)系(xi)的(de)(de)(de)量子(zi)點中實現了成鍵(jian)態(tai)、反鍵(jian)態(tai)等真實鍵(jian)態(tai)的(de)(de)(de)對應，很好地(di)模擬(ni)出真實原(yuan)子(zi)間的(de)(de)(de)化(hua)學鍵(jian)形(xing)成。然(ran)(ran)而，原(yuan)子(zi)構成物質(zhi)的(de)(de)(de)另一個(ge)關(guan)鍵(jian)過(guo)程——軌(gui)道雜(za)化(hua)，卻從未(wei)在人(ren)造(zao)原(yuan)子(zi)中實現。
針對這一空白(bai)，何林課題組(zu)與孫(sun)慶豐課題組(zu)深入合作，發(fa)展(zhan)了(le)人造(zao)原(yuan)(yuan)子中軌道(dao)雜(za)化的概念，提出人造(zao)原(yuan)(yuan)子的各向異性勢可以讓其能量相近的不(bu)同(tong)軌道(dao)受限態之間發(fa)生雜(za)化(圖1)。
圖1
上半部分：真實原子中的(a)未雜化的軌道和(b)sp2軌道雜化示意圖。
下(xia)半部分：人造原子中的(c)圓形勢場(chang)和(d)橢圓形勢場(chang)示意(yi)圖。
圖2
(a,b)數值計算的雜化態(θ形和倒θ形)。
(c,d)實驗觀測到的雜化態。
(e)雜(za)化態(tai)隨量(liang)子點各向(xiang)異性程度(du)增(zeng)加而發生能量(liang)劈裂(lie)。
該研究指出(chu)，如果在(zai)石墨烯量子點中將圓形勢(shi)(shi)場變形為(wei)(wei)橢圓形勢(shi)(shi)場，軌(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)量子數為(wei)(wei)0的s軌(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)和軌(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)量子數為(wei)(wei)2的d軌(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)之間(jian)將會發生雜化，重新組合成兩(liang)個新的雜化態(tai)(tai)。孫(sun)慶豐教(jiao)授(shou)課題組從(cong)解析推導和數值計算兩(liang)方(fang)面得(de)到(dao)了雜化態(tai)(tai)的形狀(圖2a,b，θ形和倒θ形)。何林教(jiao)授(shou)課題組在(zai)實驗上利用掃描隧道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)顯微鏡(jing)(STM)針尖操縱技術，開發了制備具有(you)不(bu)同各向(xiang)異性程(cheng)度量子點的方(fang)法，并對其中的受限態(tai)(tai)進行了系統探測(ce)，直接觀測(ce)到(dao)了量子點受限態(tai)(tai)的軌(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)雜化特征(圖2c,d)。
實驗和(he)理論相(xiang)互印證，共同(tong)(tong)證實了(le)石墨(mo)烯量(liang)子點中受限態發生了(le)軌道雜(za)化(hua)。并且(qie)，這種雜(za)化(hua)是原子塌(ta)(ta)縮態和(he)回音壁態之(zhi)間的重組，雜(za)化(hua)后的態同(tong)(tong)時(shi)包含原子塌(ta)(ta)縮態和(he)回音壁態。
原子(zi)塌(ta)縮態(tai)是量子(zi)電動力學預測(ce)的(de)一種新奇(qi)物態(tai)，在形成過程中(zhong)會(hui)伴隨耦(ou)合正(zheng)反(fan)粒(li)子(zi)的(de)Klein隧穿，而回音壁態(tai)是石墨烯中(zhong)狄拉克費(fei)米(mi)子(zi)的(de)Klein散射引起的(de)準束縛態(tai)，盡管二者(zhe)被認為有完全(quan)不同的(de)物理機理，但是這一工作揭示了(le)兩(liang)(liang)者(zhe)之間(jian)的(de)深刻聯(lian)系(xi)。此外，隨著(zhu)量子(zi)點的(de)各向異性(xing)逐漸(jian)增強，雜化強度逐漸(jian)提(ti)高(gao)，兩(liang)(liang)個雜化態(tai)的(de)能量會(hui)逐漸(jian)劈開。這點從實驗測(ce)量和(he)理論計算方(fang)面都(dou)得到了(le)證實(圖2e)。
北京(jing)大(da)學(xue)物理(li)學(xue)院(yuan)量(liang)子材料科學(xue)中(zhong)(zhong)心博(bo)(bo)士生(sheng)毛(mao)岳、北京(jing)師(shi)(shi)范(fan)大(da)學(xue)博(bo)(bo)士生(sheng)任慧瑩和(he)(he)周(zhou)嘯峰為文章的共(gong)同(tong)第(di)一作者(zhe)。北京(jing)大(da)學(xue)教授孫慶(qing)豐、北京(jing)師(shi)(shi)范(fan)大(da)學(xue)教授何林和(he)(he)北京(jing)師(shi)(shi)范(fan)大(da)學(xue)博(bo)(bo)新博(bo)(bo)士后任雅寧為文章的共(gong)同(tong)通訊作者(zhe)。該工作的合作者(zhe)還有(you)北京(jing)大(da)學(xue)博(bo)(bo)雅博(bo)(bo)士后莊鈺(yu)晨、北京(jing)師(shi)(shi)范(fan)大(da)學(xue)博(bo)(bo)士研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng)盛浩和(he)(he)肖云浩。該工作得到(dao)了國家重點研(yan)(yan)發計劃、國家自然科學(xue)基金(jin)、中(zhong)(zhong)科院(yuan)先(xian)導專(zhuan)項、中(zhong)(zhong)國博(bo)(bo)士后科學(xue)基金(jin)會以(yi)及北京(jing)師(shi)(shi)范(fan)大(da)學(xue)的經費支持。
文(wen)章鏈接：Y. Mao, H.-Y. Ren, X.-F. Zhou, H. Sheng, Y.-H. Xiao, Y.-C. Zhuang, Y.-N. Ren, L. He, Q.-F. Sun, “Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”. Nature (2025) //doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z
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