我国科学家首次在人造原子中实现轨道杂化

本报北京3月4日电（记者晋浩天）如果把自然界中的物质比作一座城堡，那么原子就是搭建这座城堡的“砖”，而原子内部的电子轨道则是这座城堡的“传声系统”。但对于“传声系统”如何运行，各国科学家多年来始终未找到答案。令人振奋的是，这一长期困扰科学界的难题已被我国科学家攻克——北京大学物理学院孙庆丰团队近日与北京师范大学物理与天文学院何林团队合作在国际学术期刊《自然》发表突破性成果：他们首次在人造原子中实现了轨道杂化，揭示了量子世界中“原子调音”的奥秘。

“自然界中的物质是由原子组成的。在原子结合构成物质时，有两个重要过程：一是原子间形成化学键，二是原子内发生轨道杂化。好比一支训练有素的乐队，不同乐手不仅要通过相互配合演奏出美妙的和弦（化学键），每个乐手也要对自己的乐器进行调音与独奏（轨道杂化）。”孙庆丰告诉记者，此前，各国科学家已经用人造原子模拟了原子间化学键的形成，但原子内的轨道杂化却无法被成功复现。

针对这一问题，孙庆丰和合作者提出了一种颠覆性策略，即通过调整人造原子的形状打破对称性，进而在其内部实现轨道杂化。“我们研究发现，将石墨烯中的人造原子从圆形拉成椭圆形，其中相关轨道就会发生杂化，形成全新电子态。随后，团队分别从理论与实验方面展开研究，结果相互印证，共同实现了人造原子的轨道杂化。如果说此前人造原子仅能模拟‘合奏’，如今我们便好比首次捕捉到了‘独奏’的量子音符。”孙庆丰说。

“这一研究还意外揭示了两个看似迥乎不同的物理现象之间的联系——新的杂化轨道同时包含了‘回音壁态’和‘原子塌缩态’。”孙庆丰表示，回音壁是一种声学现象，比如在天坛公园的回音壁旁边喊话，声音会沿着墙壁传播；而原子塌缩是量子电动力学中的预测，原子序数过大时，原子会出现失稳。“尽管这两者来自完全不同的研究领域，但在轨道杂化过程中，它们却奇妙地融合在一起，如同在量子尺度重现了建筑声学与核物理的对话。”

“这一研究填补了人造原子领域的历史空白，为可控研究轨道杂化提供了基础，也为未来微纳结构的设计提供了新思路，为构建智能材料、人造物质提供了全新调控维度，在量子计算方面有潜在重要应用前景。”何林表示，“也许有一天，我们可以像调音师一样，精细地调控材料内部的电子轨道，不仅能‘和弦’与‘独奏’，更能为电子轨道‘创作乐谱’，进而为量子技术变革与发展带来更多可能性。”