【瞧！我們的前沿科技】

　　我國(guó)科學(xué)家首次在人造原子中實(shí)現(xiàn)軌道雜化

　　揭示量子調(diào)控新路徑

　　光明日?qǐng)?bào)北京3月4日電（記者晉浩天）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(duì)于“傳聲系統(tǒng)”如何運(yùn)行，各國(guó)科學(xué)家多年來(lái)始終未找到答案。令人振奮的是，這一長(zhǎng)期困擾科學(xué)界的難題已被我國(guó)科學(xué)家攻克——北京大學(xué)物理學(xué)院孫慶豐團(tuán)隊(duì)近日與北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院何林團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際學(xué)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(shí)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(shí)，有兩個(gè)重要過(guò)程：一是原子間形成化學(xué)鍵，二是原子內(nèi)發(fā)生軌道雜化。好比一支訓(xùn)練有素的樂(lè)隊(duì)，不同樂(lè)手不僅要通過(guò)相互配合演奏出美妙的和弦（化學(xué)鍵），每個(gè)樂(lè)手也要對(duì)自己的樂(lè)器進(jìn)行調(diào)音與獨(dú)奏（軌道雜化）。”孫慶豐告訴記者，此前，各國(guó)科學(xué)家已經(jīng)用人造原子模擬了原子間化學(xué)鍵的形成，但原子內(nèi)的軌道雜化卻無(wú)法被成功復(fù)現(xiàn)。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，孫慶豐和合作者提出了一種顛覆性策略，即通過(guò)調(diào)整人造原子的形狀打破對(duì)稱性，進(jìn)而在其內(nèi)部實(shí)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(guān)軌道就會(huì)發(fā)生雜化，形成全新電子態(tài)。隨后，團(tuán)隊(duì)分別從理論與實(shí)驗(yàn)方面展開(kāi)研究，結(jié)果相互印證，共同實(shí)現(xiàn)了人造原子的軌道雜化。如果說(shuō)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(dú)奏’的量子音符�！睂O慶豐說(shuō)。

　　“這一研究還意外揭示了兩個(gè)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(shí)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(xué)現(xiàn)象，比如在天壇公園的回音壁旁邊喊話，聲音會(huì)沿著墻壁傳播；而原子塌縮是量子電動(dòng)力學(xué)中的預(yù)測(cè)，原子序數(shù)過(guò)大時(shí)，原子會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)�！氨M管這兩者來(lái)自完全不同的研究領(lǐng)域，但在軌道雜化過(guò)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(xué)與核物理的對(duì)話。”

　　“這一研究填補(bǔ)了人造原子領(lǐng)域的歷史空白，為可控研究軌道雜化提供了基礎(chǔ)，也為未來(lái)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)算方面有潛在重要應(yīng)用前景�！焙瘟直硎�，“也許有一天，我們可以像調(diào)音師一樣，精細(xì)地調(diào)控材料內(nèi)部的電子軌道，不僅能‘和弦’與‘獨(dú)奏’，更能為電子軌道‘創(chuàng)作樂(lè)譜’，進(jìn)而為量子技術(shù)變革與發(fā)展帶來(lái)更多可能性�！�