近日，北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院何林教授課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心孫慶豐教授課題組緊密合作，首次在人造原子中實(shí)現(xiàn)了軌道雜化。相關(guān)研究成果以“石墨烯人造原子中的軌道雜化”(Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms)為題，于2025年2月26日在線發(fā)表在《自然》(Nature)雜志。

　　在量子受限系統(tǒng)中，受限準(zhǔn)粒子類型極大地影響體系的性質(zhì)。早期的研究主要關(guān)注薛定諤方程描述的傳統(tǒng)費(fèi)米子的量子受限行為，隨著石墨烯等二維體系研究的深入，量子受限狄拉克費(fèi)米子的新奇物性開始引起科學(xué)家們的關(guān)注。近年來，何林課題組與孫慶豐課題組密切合作，在量子受限狄拉克費(fèi)米子體系取得了一系列有廣泛影響力的成果：

　　1)在受限狄拉克費(fèi)米子體系實(shí)現(xiàn)和探測(cè)了一系列受限傳統(tǒng)費(fèi)米子系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)的新奇量子態(tài)，包括原子坍塌態(tài)、分子塌縮態(tài)、和耦合強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)的相對(duì)論性人工分子態(tài)等；

　　2)利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)調(diào)控了受限狄拉克費(fèi)米子的新奇量子態(tài)，率先實(shí)現(xiàn)了具有谷差異的全新量子受限，并對(duì)谷極化量子態(tài)進(jìn)行了精準(zhǔn)探測(cè)；

　　3)利用各向異性勢(shì)場(chǎng)調(diào)控了受限狄拉克費(fèi)米子的新奇量子態(tài)，率先研究了不同軌道角動(dòng)量之間的散射對(duì)量子相位和干涉的影響。最近，進(jìn)一步發(fā)揮各向異性勢(shì)場(chǎng)的調(diào)控作用首次利用量子受限態(tài)模擬了原子內(nèi)軌道雜化。

　　自然界中的物質(zhì)是由原子組成。在原子結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)時(shí)，有兩個(gè)至關(guān)重要過程：一是原子內(nèi)發(fā)生軌道雜化，二是原子間化學(xué)鍵的形成。目前，研究人員通過量子點(diǎn)(即“人造原子”)之間的耦合，已經(jīng)在多種體系的量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了成鍵態(tài)、反鍵態(tài)等真實(shí)鍵態(tài)的對(duì)應(yīng)，很好地模擬出真實(shí)原子間的化學(xué)鍵形成。然而，原子構(gòu)成物質(zhì)的另一個(gè)關(guān)鍵過程——軌道雜化，卻從未在人造原子中實(shí)現(xiàn)。

　　針對(duì)這一空白，何林課題組與孫慶豐課題組深入合作，發(fā)展了人造原子中軌道雜化的概念，提出人造原子的各向異性勢(shì)可以讓其能量相近的不同軌道受限態(tài)之間發(fā)生雜化(圖1)。

圖1
上半部分：真實(shí)原子中的(a)未雜化的軌道和(b)sp2軌道雜化示意圖。
下半部分：人造原子中的(c)圓形勢(shì)場(chǎng)和(d)橢圓形勢(shì)場(chǎng)示意圖。

　　
圖2
(a,b)數(shù)值計(jì)算的雜化態(tài)(θ形和倒θ形)。
(c,d)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的雜化態(tài)。
(e)雜化態(tài)隨量子點(diǎn)各向異性程度增加而發(fā)生能量劈裂。

　　該研究指出，如果在石墨烯量子點(diǎn)中將圓形勢(shì)場(chǎng)變形為橢圓形勢(shì)場(chǎng)，軌道量子數(shù)為0的s軌道和軌道量子數(shù)為2的d軌道之間將會(huì)發(fā)生雜化，重新組合成兩個(gè)新的雜化態(tài)。孫慶豐教授課題組從解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算兩方面得到了雜化態(tài)的形狀(圖2a,b，θ形和倒θ形)。何林教授課題組在實(shí)驗(yàn)上利用掃描隧道顯微鏡(STM)針尖操縱技術(shù)，開發(fā)了制備具有不同各向異性程度量子點(diǎn)的方法，并對(duì)其中的受限態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)探測(cè)，直接觀測(cè)到了量子點(diǎn)受限態(tài)的軌道雜化特征(圖2c,d)。

　　實(shí)驗(yàn)和理論相互印證，共同證實(shí)了石墨烯量子點(diǎn)中受限態(tài)發(fā)生了軌道雜化。并且，這種雜化是原子塌縮態(tài)和回音壁態(tài)之間的重組，雜化后的態(tài)同時(shí)包含原子塌縮態(tài)和回音壁態(tài)。

　　原子塌縮態(tài)是量子電動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)的一種新奇物態(tài)，在形成過程中會(huì)伴隨耦合正反粒子的Klein隧穿，而回音壁態(tài)是石墨烯中狄拉克費(fèi)米子的Klein散射引起的準(zhǔn)束縛態(tài)，盡管二者被認(rèn)為有完全不同的物理機(jī)理，但是這一工作揭示了兩者之間的深刻聯(lián)系。此外，隨著量子點(diǎn)的各向異性逐漸增強(qiáng)，雜化強(qiáng)度逐漸提高，兩個(gè)雜化態(tài)的能量會(huì)逐漸劈開。這點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算方面都得到了證實(shí)(圖2e)。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心博士生毛岳、北京師范大學(xué)博士生任慧瑩和周嘯峰為文章的共同第一作者。北京大學(xué)教授孫慶豐、北京師范大學(xué)教授何林和北京師范大學(xué)博新博士后任雅寧為文章的共同通訊作者。該工作的合作者還有北京大學(xué)博雅博士后莊鈺晨、北京師范大學(xué)博士研究生盛浩和肖云浩。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)以及北京師范大學(xué)的經(jīng)費(fèi)支持。

　　文章鏈接：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) https://doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z