首次測量人造原子與天然原子之間的鍵

編譯 莫莊非

當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。

德國科學家發(fā)現，量子圍欄（可用作人造原子的合成圓圈形納米結構）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鍵。德國雷根斯堡大學物理系教授、領導此項研究的弗朗茨·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鍵。”

與天然原子一樣，人造原子具有固定數量的離散電子態(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”讓我們對量子力學有了更新穎而深刻的見解，也為材料科學開辟了新方向。荷蘭烏得勒支大學的計算材料學家英格瑪·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。”

吉西布爾等人使用掃描探針顯微鏡的針尖處構建了兩個不同大小的人造原子：一個經典的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的qPlus傳感器，可以測量非常微小的作用力。科學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合力。吉西布爾指出：“天然原子的共價鍵對應幾個電子伏特的鍵能。”

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。”

德國慕尼黑工業(yè)大學的威利·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，但它們仍然改變了人造原子中的量子態(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生的模式。”鑒于人造原子系統(tǒng)的特性，研究團隊可以人為地改變其結構以便研究某些屬性。“我們在原子內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。”

吉西布爾認為這些結果可能在很多不同領域展現價值。“對人造原子化學鍵的首次測量是對難以捉摸的量子力學的可視化表征。 只要稍稍有些想象力和思考，我們便能將其應用于量子信息、材料科學和化學等領域。”

資料來源Chemistry World