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北京大学研究团队揭示人造原子轨道杂化的直接实验证据
人工原子在量子物理与材料科学领域中一直被视作探索基础科学和工程应用的理想平台。最近，北京大学国际量子材料中心与北京师范大学先进量子研究中心的联合团队首次通过实验直接观察到了人工原子内部轨道杂化现象，为量子点物理研究和人造物质设计开辟了一条全新的方向。
研究团队在这一突破性工作中，利用高精度扫描隧道显微镜（STM）技术，在石墨烯-过渡金属二硫族化合物（TMD）异质结构中构建出具有可调椭圆形约束势场的高质量人工量子点。通过改变量子点的几何形状，他们成功诱导并观察到了轨道杂化现象——即人工原子内具有不同轨道量子数的准束缚态之间的杂化。这一杂化现象被团队以实时空间的方式清晰捕捉，并通过数值模拟和解析计算予以验证，结果高度一致。
人工原子的量子世界：从理论到实验的突破
自人工原子概念提出以来，其作为探索量子点系统和固态量子计算的基础模型已被广泛研究。然而，与真实原子相比，人工原子中轨道杂化这一微观机制的直接实验观测却长期受限于技术和材料的挑战。研究团队负责人贺林教授指出：“轨道杂化是理解人工物质宏观特性的重要前提，而长期以来，我们仅能从间接证据推测其存在。此次研究提供了首个直接实验观测，为进一步开发人工物质的功能性设计提供了可靠依据。”
研究中，团队通过引入椭圆形约束势场的各向异性特征，使得量子点内的s轨道与d轨道之间实现了显著杂化。这种量子力学效应不仅直观展现了形状对约束势的调控作用，更揭示了人工物质中构建全新量子态的潜力。论文第一作者毛悦博士表示：“我们的实验不仅仅是填补了实验空白，更为通过几何设计操控人工原子的量子态铺平了道路。”
实验与数值模拟的高度一致性
在实验中，研究团队借助STM技术精确绘制了人工原子轨道的空间分布图，并通过能量分辨光谱探测了轨道状态的分裂情况。实验图像中，s轨道和d轨道之间的杂化产生了独特的“椭圆轨迹”和“旋转椭圆轨迹”，这一结果与解析波函数和数值计算的理论预测高度吻合。同时，他们探讨了约束势场各向异性程度与杂化轨道能量分裂之间的关系，为更广泛的量子点系统调控提供了定量参考。
人工物质设计的新方向
此次研究不仅仅是对量子态物理基本规律的探索，其应用前景同样令人瞩目。轨道杂化的实现标志着人工原子从模拟真实原子迈向设计全新人造物质迈出了关键一步。通过调控量子点的几何形状或应用外部场，科学家有望创制出无法在自然界中实现的新型材料，从高效能量存储到量子计算，应用潜力无限。
论文通讯作者贺林教授强调：“我们的工作不仅证明了人工原子系统中轨道层面重要的量子效应，也为未来在不同种类的人工物质中实现其应用开辟了广阔空间。这项研究将促进从原子层面到宏观特性的跨领域探索。”
多方支持下的协同创新
值得一提的是，本研究得到了多项国家级科研计划与基金的支持，包括中国国家自然科学基金、国家重点研发计划以及量子科技创新计划等。同时，本研究中样品制备与计算的高精度设备平台得益于北京大学高性能计算中心与上海昂为科技的协助。
本研究的相关论文于2025年2月26日发表在国际顶级科学期刊《Nature》上，这一成果不仅
[硅基科学网出品] [人工原子量子效应研究] [轨道杂化与人造物质设计] [量子点几何调控技术] [量子材料与前沿应用] [机器姬][真机智能][机器洞察网][AI之星网][风投高科网][猛虎财经网][硅基科学网]
2025年的论文？哈哈，科学家的时间管理能力直接领先我们两年，这才是真正的时间旅行啊！
原来量子时代真的越来越近了，期待以后我们都能每天用上量子黑科技，生活更炫酷！