首次測量人造原子與天然原子之間的鍵

編譯 莫莊非

當(dāng)量子圍欄和原子力顯微鏡（AFM）探針尖頭的原子形成鍵時，微觀和介觀尺度相遇。

德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子圍欄（可用作人造原子的合成圓圈形納米結(jié)構(gòu)）能與位于原子力顯微鏡探針尖上的原子形成非常弱的化學(xué)鍵。德國雷根斯堡大學(xué)物理系教授、領(lǐng)導(dǎo)此項研究的弗朗茨·吉西布爾（Franz Giessibl）表示：“這是我們第一次通過實驗驗證由這種人造原子形成的化學(xué)鍵?！?/p>

與天然原子一樣，人造原子具有固定數(shù)量的離散電子態(tài)電子。1993年，一個美國科研團隊第一次向世界展示他們的量子圍欄——由放置于銅表面的48個鐵原子組成的圓圈。這個“鐵圓圈”讓我們對量子力學(xué)有了更新穎而深刻的見解，也為材料科學(xué)開辟了新方向。荷蘭烏得勒支大學(xué)的計算材料學(xué)家英格瑪·斯瓦特（Ingmar Swart）雖未參與研究，但他指出：“這種人造原子的誘人之處在于它們的特性可控，自然原子是做不到這一點的。它們也能耦合在一起形成晶格，這可用于創(chuàng)建和研究具備自然界中本不存在的某些奇妙特性的材料?！?/p>

吉西布爾等人使用掃描探針顯微鏡的針尖處構(gòu)建了兩個不同大小的人造原子：一個經(jīng)典的48原子的量子圍欄，以及一個24個鐵原子的更小版本。團隊中的理論家之一克勞斯·里希特（Klaus Richter）解釋道：“量子圍欄在銅表面形成了一個裝電子的籠子。天然原子的圓圈擁有一套捕獲電子的機制，形成了人造原子——就像天然原子的原子核與電子之間的庫侖引力！”

實驗中使用的顯微鏡配備了基于石英表技術(shù)的qPlus傳感器，可以測量非常微小的作用力?？茖W(xué)家探測了量子圍欄的電子與AFM探針尖端的原子間的相互作用，發(fā)現(xiàn)了較大系統(tǒng)的相互作用能量約為5兆電子伏，較小的量子圍欄也有類似的結(jié)合力。吉西布爾指出：“天然原子的共價鍵對應(yīng)幾個電子伏特的鍵能?！?/p>

里希特解釋道：“天然共價鍵建立在相同微觀尺寸的原子軌道之間。在我們的工作中，一個天然原子與一個大它約100倍的人造原子形成鍵。微觀和介觀尺度相遇?！?/p>

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的威利·奧瓦特（Willi Auw?rter）評論道：“作者可以測量一定距離范圍內(nèi)非常弱的相互作用，證明了金屬尖端的引力和CO尖端的斥力。這項工作讓我們有了對納米級人造原子的鍵合特性的新見解；與天然原子相比，人造原子大且電子稀疏。 ”

吉西布爾表示，盡管相互作用很弱，但它們?nèi)匀桓淖兞巳嗽煸又械牧孔討B(tài)。“理論研究的同事幫助我們理解了在向量子圍欄添加擾動時產(chǎn)生的模式?！辫b于人造原子系統(tǒng)的特性，研究團隊可以人為地改變其結(jié)構(gòu)以便研究某些屬性。“我們在原子內(nèi)部放置了一個障礙物并觀察會發(fā)生什么——這是自然原子所做不到的?！?/p>

吉西布爾認(rèn)為這些結(jié)果可能在很多不同領(lǐng)域展現(xiàn)價值?！皩θ嗽煸踊瘜W(xué)鍵的首次測量是對難以捉摸的量子力學(xué)的可視化表征。 只要稍稍有些想象力和思考，我們便能將其應(yīng)用于量子信息、材料科學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域?！?/p>

資料來源Chemistry World