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(shí)，微觀和介觀尺度相遇。

德國(guó)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(guó)雷根斯堡大學(xué)物理系教授、領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的弗朗茨·吉西布爾（Franz Giessibl）表示：“這是我們第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由這種人造原子形成的化學(xué)鍵。”

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(gè)美國(guó)科研團(tuán)隊(duì)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(gè)鐵原子組成的圓圈。這個(gè)“鐵圓圈”讓我們對(duì)量子力學(xué)有了更新穎而深刻的見(jiàn)解，也為材料科學(xué)開(kāi)辟了新方向。荷蘭烏得勒支大學(xué)的計(jì)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(diǎn)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(gòu)建了兩個(gè)不同大小的人造原子：一個(gè)經(jīng)典的48原子的量子圍欄，以及一個(gè)24個(gè)鐵原子的更小版本。團(tuán)隊(duì)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(gè)裝電子的籠子。天然原子的圓圈擁有一套捕獲電子的機(jī)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(kù)侖引力！”

實(shí)驗(yàn)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(cè)量非常微小的作用力。科學(xué)家探測(cè)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(jià)鍵對(duì)應(yīng)幾個(gè)電子伏特的鍵能。”

里希特解釋道：“天然共價(jià)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(gè)天然原子與一個(gè)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(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的威利·奧瓦特（Willi Auw?rter）評(píng)論道：“作者可以測(cè)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(xiàng)工作讓我們有了對(duì)納米級(jí)人造原子的鍵合特性的新見(jiàn)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)?！袄碚撗芯康耐聨椭覀兝斫饬嗽谙蛄孔訃鷻谔砑訑_動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的模式?！辫b于人造原子系統(tǒng)的特性，研究團(tuán)隊(duì)可以人為地改變其結(jié)構(gòu)以便研究某些屬性?！拔覀?cè)谠觾?nèi)部放置了一個(gè)障礙物并觀察會(huì)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(jià)值?！皩?duì)人造原子化學(xué)鍵的首次測(cè)量是對(duì)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(lái)源Chemistry World