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如果把自然界中的物質(zhì)比作一座城堡，那么原子就是搭建這座城堡的“磚”，而原子內(nèi)部的電子軌道則是這座城堡的“傳聲系統(tǒng)”。但對于“傳聲系統(tǒng)”如何運行，各國科學家多年來始終未找到答案。令人振奮的是，這一長期困擾科學界的難題已被我國科學家攻克——北京大學物理學院孫慶豐團隊近日與北京師范大學物理與天文學院何林團隊合作在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表突破性成果：他們首次在人造原子中實現(xiàn)了軌道雜化，揭示了量子世界中“原子調(diào)音”的奧秘。

“自然界中的物質(zhì)是由原子組成的。在原子結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)時，有兩個重要過程：一是原子間形成化學鍵，二是原子內(nèi)發(fā)生軌道雜化。好比一支訓練有素的樂隊，不同樂手不僅要通過相互配合演奏出美妙的和弦（化學鍵），每個樂手也要對自己的樂器進行調(diào)音與獨奏（軌道雜化）?！睂O慶豐告訴記者，此前，各國科學家已經(jīng)用人造原子模擬了原子間化學鍵的形成，但原子內(nèi)的軌道雜化卻無法被成功復現(xiàn)。

針對這一問題，孫慶豐和合作者提出了一種顛覆性策略，即通過調(diào)整人造原子的形狀打破對稱性，進而在其內(nèi)部實現(xiàn)軌道雜化。“我們研究發(fā)現(xiàn)，將石墨烯中的人造原子從圓形拉成橢圓形，其中相關軌道就會發(fā)生雜化，形成全新電子態(tài)。隨后，團隊分別從理論與實驗方面展開研究，結(jié)果相互印證，共同實現(xiàn)了人造原子的軌道雜化。如果說此前人造原子僅能模擬‘合奏’，如今我們便好比首次捕捉到了‘獨奏’的量子音符?！睂O慶豐說。

“這一研究還意外揭示了兩個看似迥乎不同的物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系——新的雜化軌道同時包含了‘回音壁態(tài)’和‘原子塌縮態(tài)’?！睂O慶豐表示，回音壁是一種聲學現(xiàn)象，比如在天壇公園的回音壁旁邊喊話，聲音會沿著墻壁傳播；而原子塌縮是量子電動力學中的預測，原子序數(shù)過大時，原子會出現(xiàn)失穩(wěn)?！氨M管這兩者來自完全不同的研究領域，但在軌道雜化過程中，它們卻奇妙地融合在一起，如同在量子尺度重現(xiàn)了建筑聲學與核物理的對話?！?/p>

“這一研究填補了人造原子領域的歷史空白，為可控研究軌道雜化提供了基礎，也為未來微納結(jié)構(gòu)的設計提供了新思路，為構(gòu)建智能材料、人造物質(zhì)提供了全新調(diào)控維度，在量子計算方面有潛在重要應用前景。”何林表示，“也許有一天，我們可以像調(diào)音師一樣，精細地調(diào)控材料內(nèi)部的電子軌道，不僅能‘和弦’與‘獨奏’，更能為電子軌道‘創(chuàng)作樂譜’，進而為量子技術(shù)變革與發(fā)展帶來更多可能性?！保ㄓ浾邥x浩天）