我国学者在石墨烯人造原子中实现轨道杂化

图1 上半部分：真实原子中的(a)未杂化的轨道和(b)sp²轨道杂化示意图;
下半部分：人造原子中的(c)圆形势场和(d)椭圆形势场示意图

图2 (a,b)数值计算的杂化态(θ形和倒θ形); (c,d)实验观测到的杂化态; (e)杂化态随量子点各向异性程度增加而发生能量劈裂

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12374034、12141401）等资助下，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授与北京师范大学物理与天文学院何林教授合作，在量子材料研究领域取得进展，首次在“人造原子”中实现了轨道杂化。研究成果以“石墨烯人造原子中的轨道杂化”（Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms）为题，于2025年2月26日在线发表在《自然》（Nature）期刊。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z。

　　在量子受限系统中，受限准粒子类型极大地影响着体系的性质。传统研究主要聚焦于薛定谔方程描述的传统费米子的量子受限行为。然而，随着对石墨烯等二维体系研究的深入，量子受限狄拉克费米子的新奇物性引起了学术界的广泛关注。众所周知，自然界中的物质是由原子组成，而在原子结合构成物质时，有两个至关重要步骤：一是原子内发生轨道杂化，二是原子间化学键的形成。近年来，研究人员通过量子点（即“人造原子”）之间的耦合，已经在多种体系的量子点中成功模拟了成键态和反键态等真实化学键的形成。然而，原子构成物质的另一个关键过程——轨道杂化，尚未在人造原子中实现。

　　针对这一科学问题，合作研究团队创新性地发展了人造原子中轨道杂化的概念，提出人造原子的各向异性势可以让其能量相近的不同轨道受限态之间发生杂化，并在石墨烯量子点中首次实现了受限态的轨道杂化（图1）。他们发现，在石墨烯量子点中将圆形势场变形为椭圆形势场时，轨道量子数为0的s轨道和轨道量子数为2的d轨道之间将会发生杂化，重新组合成两个新的杂化态。孙庆丰教授课题组通过解析推导和数值计算，成功预测了杂化态的形状（图2a-b，θ形和倒θ形）。何林教授课题组在实验上利用扫描隧道显微镜（STM）针尖操纵技术，开发了制备具有不同各向异性程度量子点的方法，并对其中的受限态进行了系统探测，直接观测到了量子点受限态的轨道杂化特征（图2c,d）。值得注意的是，这种杂化是原子塌缩态和回音壁态之间的重组，杂化后的态同时包含原子塌缩态和回音壁态。原子塌缩态是量子电动力学预测的一种新奇物态，在形成过程中会伴随耦合正反粒子的克莱因（Klein）隧穿；而回音壁态是石墨烯中狄拉克费米子的克莱因散射引起的准束缚态。尽管二者被认为有完全不同的物理机理，但这一工作揭示了两者之间的深刻联系。此外，研究还发现随着量子点的各向异性逐渐增强，杂化强度逐渐提高，两个杂化态的能量会逐渐劈开。这一现象在实验测量和理论计算方面都得到了充分证实（图2e）。

　　该研究成果为理解石墨烯量子点中的新奇量子现象提供了新的视角，对开发基于石墨烯量子点的新型量子器件具有重要意义。