近日，beat365官方网站量子材料科學中心孫慶豐教授課題組與北京師範大學物理與天文學院何林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“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日在線發表在《自然》（Nature）雜志。
量子點由于受限效應而形成不同軌道的束縛态，這與真實原子的軌道十分相似。因此，量子點也被稱作人造原子，被研究人員用來模拟真實原子的特征。近年來，孫慶豐課題組和何林課題組合作，在受限石墨烯體系取得了一系列重要成果：在雙層石墨烯量子點中，通過施加磁場誘導貝裡相位連續變化和實現谷自由度的調控[1,2]。在單層石墨烯中，通過應力引起的赝磁場和真磁場共同作用實現受限谷态調控[3]。通過旋轉非對稱受限勢引起不同角動量态間的散射，并結合貝裡相位，實現谷間散射波前位錯的單、雙調控[4]。在單層石墨烯量子點中發現了原子塌縮态和回音壁态的共存[5]；更進一步，通過耦合兩個量子點，提出和實現原子塌縮态、分子塌縮态、到回音壁态的相互演化[6]；以及連續調控兩個量子點間的距離，從而系統地給出分子态特性[7]。另外，在單個量子點中通過引入勢壘也實現了分子态[8]。
自然界中的物質是由原子組成。在原子結合構成物質時，有兩個至關重要過程：一是原子内發生軌道雜化，二是原子間化學鍵形成。目前，人造原子（即量子點）已經很好地模拟出真實原子間的化學鍵形成。包括孫慶豐課題組和何林課題組在内，研究人員通過量子點之間的耦合，已經在各種體系的量子點中實現了成鍵态、反鍵态等真實鍵态的對應。然而，原子構成物質的另一個關鍵過程——軌道雜化卻未曾被人造原子模拟出來。
針對這一空白，孫慶豐課題組發展了人造原子中軌道雜化的理論，提出人造原子的各向異性勢可以讓其能量相近的不同軌道受限态之間發生雜化。他們具體地指出，如果在石墨烯量子點中将圓形勢場變形為橢圓形勢場，軌道量子數為0的s軌道和軌道量子數為2的d軌道之間将會發生雜化，重新組合成兩個新的雜化态。
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。下半部分：人造原子中的（c）圓形勢場和（d）橢圓形勢場示意圖。
孫慶豐課題組從解析推導和數值計算兩方面得到了雜化态的形狀（θ形和倒θ形）。何林課題組在實驗上對各種橢圓形量子點中的受限态進行探測，直接觀測到軌道雜化特征。實驗和理論相互印證，共同證實了橢圓形石墨烯量子點中确實發生了軌道雜化。這種雜化是原子塌縮态和回音壁态之間的重組，雜化後的态同時包含原子塌縮态和回音壁态的成分。盡管原子塌縮現象是量子電動力學中預測的重要現象，而回音壁效應是聲學中的效應，二者被認為有完全不同的物理機理，但是這一工作揭示了兩者之間的深刻聯系。此外，随着量子點的形變逐漸增強，雜化強度逐漸提高，于是兩個雜化态的能量逐漸劈開。這點從實驗測量和理論計算方面都得到了證實。
圖2.（a,b）數值計算的雜化态（θ形和倒θ形）。（c,d）實驗觀測到的雜化态。（e）雜化态随量子點形變增強而發生能量劈裂。
beat365官方网站量子材料科學中心2020級博士研究生毛嶽、北京師範大學博士研究生任慧瑩和周嘯峰為文章的共同第一作者。孫慶豐、何林和北京師範大學博士後任雅甯為文章的共同通訊作者。該工作的合作者還有beat365博雅博士後莊钰晨、北京師範大學研究生盛浩和肖雲浩。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金會以及北京師範大學的經費支持。
論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08620-z
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[1]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.166801
[2]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.206805
[3]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.076802
[4]https://doi.org/10.1038/s41467-024-47756-w
[5]https://doi.org/10.1038/s41467-022-29251-2
[6]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.076202
[7]https://doi.org/10.1038/s41467-024-52992-1
[8]https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13885
