北京师范大学物理与天文学院何林教授课题组与合作者以“石墨烯人造原子中的轨道杂化”为题在《自然》上发表学术成果

近日，北京师范大学物理与天文学院何林教授课题组与北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授课题组紧密合作，首次在人造原子中实现了轨道杂化。相关研究成果以“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）杂志。

在量子受限系统中，受限准粒子类型极大地影响体系的性质。早期的研究主要关注薛定谔方程描述的传统费米子的量子受限行为，随着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开始引起科学家们的关注。近年来，何林课题组与孙庆丰课题组密切合作，在量子受限狄拉克费米子体系取得了一系列有广泛影响力的成果：1）在受限狄拉克费米子体系实现和探测了一系列受限传统费米子系统中不能实现的新奇量子态，包括原子坍塌态、分子塌缩态、和耦合强度连续可调的相对论性人工分子态等；2）利用磁场和电场调控了受限狄拉克费米子的新奇量子态，率先实现了具有谷差异的全新量子受限，并对谷极化量子态进行了精准探测；3）利用各向异性势场调控了受限狄拉克费米子的新奇量子态，率先研究了不同轨道角动量之间的散射对量子相位和干涉的影响。最近，进一步发挥各向异性势场的调控作用首次利用量子受限态模拟了原子内轨道杂化。

自然界中的物质是由原子组成。在原子结合构成物质时，有两个至关重要过程：一是原子内发生轨道杂化，二是原子间化学键的形成。目前，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实现了成键态、反键态等真实键态的对应，很好地模拟出真实原子间的化学键形成。然而，原子构成物质的另一个关键过程——轨道杂化，却从未在人造原子中实现。

针对这一空白，何林课题组与孙庆丰课题组深入合作，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（图1）。该研究指出，如果在石墨烯量子点中将圆形势场变形为椭圆形势场，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。孙庆丰教授课题组从解析推导和数值计算两方面得到了杂化态的形状（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）。实验和理论相互印证，共同证实了石墨烯量子点中受限态发生了轨道杂化。并且，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Klein隧穿，而回音壁态是石墨烯中狄拉克费米子的Klein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，但是这一工作揭示了两者之间的深刻联系。此外，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。这点从实验测量和理论计算方面都得到了证实（图2e）。

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。

北京大学物理学院量子材料科学中心博士生毛岳、北京师范大学博士生任慧莹和周啸峰为文章的共同第一作者。北京大学教授孙庆丰、北京师范大学教授何林和北京师范大学博新博士后任雅宁为文章的共同通讯作者。该工作的合作者还有北京大学博雅博士后庄钰晨、北京师范大学博士研究生盛浩和肖云浩。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项、中国博士后科学基金会以及北京师范大学的经费支持。

文章链接：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