近日，北京師范大學物理與天文學院何林教授課題組與北京大學物理學院量子材料科學中心孫慶豐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。

　　在量子受限系統中，受限準粒子類型極大地影響體系的性質。早期的研究主要關注薛定諤方程描述的傳統費米子的量子受限行為，隨著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開始引起科學家們的關注。近年來，何林課題組與孫慶豐課題組密切合作，在量子受限狄拉克費米子體系取得了一系列有廣泛影響力的成果：

　　1)在受限狄拉克費米子體系實現和探測了一系列受限傳統費米子系統中不能實現的新奇量子態，包括原子坍塌態、分子塌縮態、和耦合強度連續可調的相對論性人工分子態等；

　　2)利用磁場和電場調控了受限狄拉克費米子的新奇量子態，率先實現了具有谷差異的全新量子受限，并對谷極化量子態進行了精準探測；

　　3)利用各向異性勢場調控了受限狄拉克費米子的新奇量子態，率先研究了不同軌道角動量之間的散射對量子相位和干涉的影響。最近，進一步發揮各向異性勢場的調控作用首次利用量子受限態模擬了原子內軌道雜化。

　　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：一是原子內發生軌道雜化，二是原子間化學鍵的形成。目前，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實現了成鍵態、反鍵態等真實鍵態的對應，很好地模擬出真實原子間的化學鍵形成。然而，原子構成物質的另一個關鍵過程——軌道雜化，卻從未在人造原子中實現。

　　針對這一空白，何林課題組與孫慶豐課題組深入合作，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(圖1)。

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。

　　該研究指出，如果在石墨烯量子點中將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。孫慶豐教授課題組從解析推導和數值計算兩方面得到了雜化態的形狀(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)。

　　實驗和理論相互印證，共同證實了石墨烯量子點中受限態發生了軌道雜化。并且，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Klein隧穿，而回音壁態是石墨烯中狄拉克費米子的Klein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，但是這一工作揭示了兩者之間的深刻聯系。此外，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。這點從實驗測量和理論計算方面都得到了證實(圖2e)。

　　北京大學物理學院量子材料科學中心博士生毛岳、北京師范大學博士生任慧瑩和周嘯峰為文章的共同第一作者。北京大學教授孫慶豐、北京師范大學教授何林和北京師范大學博新博士后任雅寧為文章的共同通訊作者。該工作的合作者還有北京大學博雅博士后莊鈺晨、北京師范大學博士研究生盛浩和肖云浩。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院先導專項、中國博士后科學基金會以及北京師范大學的經費支持。

　　文章鏈接：Y. Mao, H.-Y. Ren, X.-F. Zhou, H. Sheng, Y.-H. Xiao, Y.-C. Zhuang, Y.-N. Ren, L. He, Q.-F. Sun, “Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”. Nature (2025) https://doi.org/10.1038/s41586-025-08620-z