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北京大学，再发Nature！2月已发3篇Nature、1篇Science、1篇Cell！

微算云平台 · 公众号 · · 2025-02-27 07:14

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原子内轨道杂化和原子间成键，是真实原子凝聚形成物质的两个基本过程。

人造原子通过展示可归因于量子约束的离散能级，来模拟真实原子。

因此，它们为模拟原子内轨道杂化和原子间键形成，提供了固态模拟。原子间键形成的特征，已在各种人造原子中广泛地观察到。

然而，人工原子中原子内轨道杂化的直接证据，仍有待实验证明。

在此，来自 北京师范大学 的 任雅宁 和何林以及 北京大学&合肥国家实验室 的 孙庆丰 等研究者通过 改变人造原子的形状 来 实现人造原子的轨道杂化 。相关论文以题为“ Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms ”于 2025年02月26 日发表在 Nature 上。

当原子凝聚形成物质时，会涌现出两个关键过程：（ 1 ）原子间的吸引力通过能量损失将原子结合在一起，形成稳定的化学键；（ 2 ）原子内的势场变得各向异性，促使能量相近的原子轨道重新组合，即轨道杂化。

在量子点（ QDs ）中，受限的电子会形成一系列类似于真实原子中电子轨道的束缚态，这使得量子点成为 “ 人造原子 ” 。

数十年来，大量研究聚焦于这些人造原子之间的耦合，以模拟和探索原子层面上物质的形成过程。

作为真实物质形成的关键过程之一，人造原子中化学键形成的类比已在多种人造原子系统中得到广泛研究，包括半导体结构、金属表面和石墨烯量子点。

然而，对于物质形成的另一个关键过程 —— 即原子内轨道杂化 —— 在实验上直接观测其证据，仍然是一个巨大的挑战，尚未在人造原子中实现。

在此，研究者通过在 石墨烯量子点中引入限制势的各向异性 ，成功 实现了轨道杂化 。

通过将量子点的形状从圆形调整为椭圆形，限制势的各向异性诱导了 s 轨道和 d 轨道的准束缚态之间的轨道杂化。

利用扫描隧道显微镜（ STM ）测量，研究者在实空间中直接观测到了这些杂化轨道，并通过数值计算和理论推导验证了实验结果。

随着量子点各向异性的逐步增加，实验数据与理论计算共同表明，杂化态之间的能量分裂显著增强，进一步证实了轨道杂化的强化效应。

这一研究不仅首次在人造原子中实现了轨道杂化的实验观测，还为深入理解物质形成的基本过程提供了新的视角，同时也为基于量子点的人工材料设计开辟了新的可能性。

图 1 天然原子和人造原子的轨道杂化。

图 2 杂化轨道的实验观察。

图 3 杂化态的能量分裂与各向异性度。

综上所述，研究者通过引入量子点势场的各向异性，成功展示了人造原子中的轨道杂化现象。

尽管 ACSs （原子中心态）和 WGMs （回音壁模式）源于石墨烯中截然不同的物理机制，但由于它们能量相近，研究者观察到了它们之间的 s-d 轨道杂化。

这些轨道重新组合形成了新的态，其局域态密度（ LDOS ）分布呈现出 θ 形和旋转 θ 形的特征，揭示了它们之间的深刻联系。

随着量子点形变和轨道杂化的进行，杂化态的能量逐渐分裂。

研究者的实验结果得到了数值计算和理论推导的双重支持，共同证实了轨道杂化的出现。

这项研究标志着在模拟真实原子行为方面取得了显著进展。研究者的发现为理解物质形成的基本过程提供了新的视角，并凸显了量子模拟作为物理学和工程学中一种变革性工具的潜力。

这一成果不仅深化了对人造原子中轨道杂化的理解，也为未来基于量子点的新型材料设计和量子技术开发奠定了重要基础。

截止到目前，北京大学在 2025 年 2 月份，已集齐 NCS ，分别是 2 月 12 日的第一篇 Nature ， 2 月 13 日的 Science ， 2 月 19 日的 Cell ， 2 月 19 日的第二篇 Nature ，以及 2 月 26 日的第三篇 Nature ！

参考文献

Mao, Y., Ren, HY., Zhou, XF. et al. Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-08620-z

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