我國學者在石墨烯人造原子中實現軌道雜化

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

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)雜化態隨量子點各向異性程度增加而發生能量劈裂

　　在國家自然科學基金項目（批準號：12374034、12141401）等資助下，北京大學物理學院量子材料科學中心孫慶豐教授與北京師范大學物理與天文學院何林教授合作，在量子材料研究領域取得進展，首次在“人造原子”中實現了軌道雜化。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）期刊。文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z。

　　在量子受限系統中，受限準粒子類型極大地影響著體系的性質。傳統研究主要聚焦于薛定諤方程描述的傳統費米子的量子受限行為。然而，隨著對石墨烯等二維體系研究的深入，量子受限狄拉克費米子的新奇物性引起了學術界的廣泛關注。眾所周知，自然界中的物質是由原子組成，而在原子結合構成物質時，有兩個至關重要步驟：一是原子內發生軌道雜化，二是原子間化學鍵的形成。近年來，研究人員通過量子點（即“人造原子”）之間的耦合，已經在多種體系的量子點中成功模擬了成鍵態和反鍵態等真實化學鍵的形成。然而，原子構成物質的另一個關鍵過程——軌道雜化，尚未在人造原子中實現。

　　針對這一科學問題，合作研究團隊創新性地發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可以讓其能量相近的不同軌道受限態之間發生雜化，并在石墨烯量子點中首次實現了受限態的軌道雜化（圖1）。他們發現，在石墨烯量子點中將圓形勢場變形為橢圓形勢場時，軌道量子數為0的s軌道和軌道量子數為2的d軌道之間將會發生雜化，重新組合成兩個新的雜化態。孫慶豐教授課題組通過解析推導和數值計算，成功預測了雜化態的形狀（圖2a-b，θ形和倒θ形）。何林教授課題組在實驗上利用掃描隧道顯微鏡（STM）針尖操縱技術，開發了制備具有不同各向異性程度量子點的方法，并對其中的受限態進行了系統探測，直接觀測到了量子點受限態的軌道雜化特征（圖2c,d）。值得注意的是，這種雜化是原子塌縮態和回音壁態之間的重組，雜化后的態同時包含原子塌縮態和回音壁態。原子塌縮態是量子電動力學預測的一種新奇物態，在形成過程中會伴隨耦合正反粒子的克萊因（Klein）隧穿；而回音壁態是石墨烯中狄拉克費米子的克萊因散射引起的準束縛態。盡管二者被認為有完全不同的物理機理，但這一工作揭示了兩者之間的深刻聯系。此外，研究還發現隨著量子點的各向異性逐漸增強，雜化強度逐漸提高，兩個雜化態的能量會逐漸劈開。這一現象在實驗測量和理論計算方面都得到了充分證實（圖2e）。

　　該研究成果為理解石墨烯量子點中的新奇量子現象提供了新的視角，對開發基于石墨烯量子點的新型量子器件具有重要意義。