首次测量人造原子与天然原子之间的键

编译 莫庄非

当量子围栏和原子力显微镜（AFM）探针尖头的原子形成键时，微观和介观尺度相遇。

德国科学家发现，量子围栏（可用作人造原子的合成圆圈形纳米结构）能与位于原子力显微镜探针尖上的原子形成非常弱的化学键。德国雷根斯堡大学物理系教授、领导此项研究的弗朗茨·吉西布尔（Franz Giessibl）表示：“这是我们第一次通过实验验证由这种人造原子形成的化学键。”

与天然原子一样，人造原子具有固定数量的离散电子态电子。1993年，一个美国科研团队第一次向世界展示他们的量子围栏——由放置于铜表面的48个铁原子组成的圆圈。这个“铁圆圈”让我们对量子力学有了更新颖而深刻的见解，也为材料科学开辟了新方向。荷兰乌得勒支大学的计算材料学家英格玛·斯瓦特（Ingmar Swart）虽未参与研究，但他指出：“这种人造原子的诱人之处在于它们的特性可控，自然原子是做不到这一点的。它们也能耦合在一起形成晶格，这可用于创建和研究具备自然界中本不存在的某些奇妙特性的材料。”

吉西布尔等人使用扫描探针显微镜的针尖处构建了两个不同大小的人造原子：一个经典的48原子的量子围栏，以及一个24个铁原子的更小版本。团队中的理论家之一克劳斯·里希特（Klaus Richter）解释道：“量子围栏在铜表面形成了一个装电子的笼子。天然原子的圆圈拥有一套捕获电子的机制，形成了人造原子——就像天然原子的原子核与电子之间的库仑引力！”

实验中使用的显微镜配备了基于石英表技术的qPlus传感器，可以测量非常微小的作用力。科学家探测了量子围栏的电子与AFM探针尖端的原子间的相互作用，发现了较大系统的相互作用能量约为5兆电子伏，较小的量子围栏也有类似的结合力。吉西布尔指出：“天然原子的共价键对应几个电子伏特的键能。”

里希特解释道：“天然共价键建立在相同微观尺寸的原子轨道之间。在我们的工作中，一个天然原子与一个大它约100倍的人造原子形成键。微观和介观尺度相遇。”

德国慕尼黑工业大学的威利·奥瓦特（Willi Auwärter）评论道：“作者可以测量一定距离范围内非常弱的相互作用，证明了金属尖端的引力和CO尖端的斥力。这项工作让我们有了对纳米级人造原子的键合特性的新见解；与天然原子相比，人造原子大且电子稀疏。 ”

吉西布尔表示，尽管相互作用很弱，但它们仍然改变了人造原子中的量子态。“理论研究的同事帮助我们理解了在向量子围栏添加扰动时产生的模式。”鉴于人造原子系统的特性，研究团队可以人为地改变其结构以便研究某些属性。“我们在原子内部放置了一个障碍物并观察会发生什么——这是自然原子所做不到的。”

吉西布尔认为这些结果可能在很多不同领域展现价值。“对人造原子化学键的首次测量是对难以捉摸的量子力学的可视化表征。 只要稍稍有些想象力和思考，我们便能将其应用于量子信息、材料科学和化学等领域。”

资料来源Chemistry World