2025年2月26日，一篇發表在《自然》（Nature）上的研究論文引起了物理同行的高度關註，意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心孫慶豐教授課題組與北京師範大學物理與天文學院何林教授課題組緊密合作，首次在人造原子中實現了軌道雜化。這篇論文題為《石墨烯人造原子中的軌道雜化》（“Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”）的論文還同時發現了原子塌縮態與回音壁態兩種完全不同態可以發生雜化。論文成果的發表意味著人造原子首次模擬了軌道雜化，為軌道雜化的研究開辟了新道路🤣。

論文發表封面

模擬真實原子，理論與實驗均實現軌道雜化

“自然界中的物質由原子構成，這涉及到原子之間化學鍵的形成和原子內軌道雜化兩個關鍵的過程。”孫慶豐解釋道👩‍🚀。量子點因為受限效應形成與真實原子軌道相似的束縛態，被稱為人造原子。此前🎄，人造原子已經模擬了原子間化學鍵的形成💁🏿‍♀️🆙，但是原子內的軌道雜化卻一直未被模擬。

孫慶豐團隊擅長理論和模擬💟，何林團隊負責基礎實驗😿，兩個團隊合作此前在受限石墨烯體系研究上成果豐碩🏊🏿‍♀️👩🏽‍🎨：在雙層石墨烯量子點實現谷自由度調控；在單層石墨烯實現受限谷態調控🚣‍♀️、谷間散射波前位錯調控；發現單層石墨烯量子點中原子塌縮態和回音壁態共存及相互演化；在單個量子點中引入勢壘實現了分子態……

針對軌道雜化未曾被人造原子模擬出來的歷史空白，孫慶豐和合作者提出人造原子的各向異性勢可以讓其能量相近的不同軌道受限態之間發生雜化🧘‍♀️。“如果在石墨烯量子點中將圓形勢場變形為橢圓形勢場🦵🏼，軌道量子數為0的s軌道和軌道量子數為2的d軌道之間將會發生雜化🐯💆🏻‍♂️，重新組合成兩個新的雜化態。”孫慶豐說道。

上半部分：真實原子中（a）未雜化的軌道和（b）sp²軌道雜化示意圖。下半部分🫧：人造原子中的（c）圓形勢場和（d）橢圓形勢場示意圖

孫慶豐課題組從解析推導和數值計算兩方面得到了雜化態的形狀（θ形和倒θ形）➜。何林課題組在實驗上對各種橢圓形量子點中的受限態進行探測🤷🏼，直接觀測到軌道雜化特征🙇🏼‍♀️。兩個課題組經過大量推導和實驗，攻堅克難👼🏼，終於共同揭示了石墨烯量子點中的軌道雜化現象。“這種雜化也讓我們發現，量子電動力學預測的重要現象——原子塌縮態和聲學效應中的回音壁態🦊，這兩種由完全不同的物理機理導致的態可以發生雜化，雜化後的態同時含有原子塌縮態和回音壁態的成分。”孫慶豐進一步表示：隨著量子點的形變逐漸增強，雜化強度逐漸提高，兩個雜化態的能量逐漸劈開——這個效應從實驗測量和理論計算方面都得到了證實。

“這就好像給我們打開了一扇新的大門🪢，讓我們更容易地探究原子內部的奧秘，也能更前瞻性地預測和探索更多的自然奧秘。這也是基礎物理的魅力所在。”孫慶豐說道。

“艱辛奇崛”背後的“樂在其中”

孫慶豐從本科到博士畢業均在意昂3体育官网物理學院度過，師從著名物理學家林宗涵教授。他的博士學位論文《介觀體系瞬態量子輸運的理論研究》被評為當年全國優秀博士學位論文（全國各學科共100篇）💆🏿‍♂️。博士畢業後，孫慶豐在麥吉爾大學做博士後，與郭鴻教授在量子輸運理論、自旋電子學⛹🏽、超導等相關研究方面進行密切合作。

“我從沒想過除了科研之外的其他道路。”來自浙江省溫州市的孫慶豐笑道：“既沒有想過和我的家鄉很多同學那樣做生意，也沒有想去轉行做金融或者產業🎣，我最擅長的就是物理⛑️👼，很自然地就遵從自己的內心走下來了🤘🏽。”

2003年，歸來的孫慶豐加入中科院物理所，2005年，年僅35歲的孫慶豐因為博士及博士後期間所做出的重要科研成果，獲得國家自然科學基金委傑出青年科學基金的支持❤️‍，2013年成為教育部長江學者特聘教授👩🏿‍🦳。

2004年孫慶豐在中科院物理所辦公室

“青年成名”的孫慶豐一直在普通人看起來“艱辛奇崛”的凝聚態物理的低維體系量子輸運理論研究方面不輟耕耘。

當被問及看似與實踐或成果產業化距離較遠的理論物理最重要的價值的時候🪙，孫慶豐舉了自旋超導二極管研究的例子👨🏼‍💻👮🏻‍♀️。

二極管是正向電阻和反向電阻不相等的電子器件🥸👨🏼‍🍼，具有單向導通性🏤，是現代集成電路的基本元件🎐。二極管的電阻非零🗳，使得電子器件工作時不可避免地有熱耗散，這發熱現象是當今亟待解決的難題。2020年🚥，有研究人員實現了超導版的二極管效應，即研究者觀測到正向超導臨界電流和反向超導臨界電流大小不相等👫🏻。這意味著電流大小在正向、反向超導臨界電流之間時🩰🌙，沿單向保持超流、電阻為0的現象⚾️🫃🏽。

2024年5月🤦🏽‍♂️，孫慶豐團隊揭示了“由自旋軌道耦合普遍引起的自旋超導二極管效應”，該項成果給出了自旋超導二極管的普適理論🤜，發表在《物理評論快報》。“超導二極管有著很好的整流效應，在低功耗電子器件方面有重要應用前景。”在孫慶豐看來，科學實踐的每一次突破都源於理論基石的夯實與創新🧝🏽，這之中的過程可能是漫長的🧮，但也有可能在短時間內從“量”的積累實現“質”的飛躍——為理論基石“紮實培土”是吸引孫慶豐樂在其中的動因。

2025年1月7日，孫慶豐在內蒙古大學的量子物理前沿研討會上報告“石墨烯中谷態🍂、塌縮態、回音壁態的調控”工作

科學不是“獨樂樂”，也要“眾樂樂”

在很多人眼中，美劇《生活大爆炸》裏“謝耳朵”（Sheldon）是理論物理學家的化身，他們聰明獨立，嘴裏念叨著普通人聽不懂的詞匯也不喜歡與他人合作🧖‍♀️。但在孫慶豐眼中，“謝耳朵”只是一種戲劇化的呈現方式，雖然道路艱深🫅🏻，但是如果沒有合作者與學生團隊的共同攻關，很難產生一個又一個突破性的進展。

人造原子的軌道雜化就是在孫慶豐團隊與何林團隊的共同努力下協力攻關的，也很好地闡釋了理論物理與基礎實驗相輔相成、互相成就的關系。“有的時候理論研究跑得快一些👨🏽‍🎓，基礎實驗用作證實；有的時候基礎實驗的進展快一些，能夠反哺理論。”孫慶豐說道。

孫慶豐是一位願意與學生“眾樂樂”的科學家〽️。在他心目中✋🏼，教學與科研具有同樣重要的位置。采訪的前一天是周一👱‍♂️，這天下午，孫慶豐連續上了本科生的“量子力學討論班”和“平衡態統計討論班”兩個討論班課程。在意昂3体育物理自由勃發的沃土上，20歲上下的本科同學與老師常常開展辯論🤲🏽。“他們問的問題千奇百怪👩🏿‍🏫，有的想得深，有的想得廣，與其他學科觸類旁通🤽🏻‍♀️，意昂3体育的同學腦袋確實夠靈活！”孫慶豐笑著說🧥。

2025年2月28日開組會時🙁，全體博士後、博士生和參加課題的本科生合照

教學相長的孫慶豐盡管高產但並不是一位喜歡“Push”學生的嚴師。物理學院2020級凝聚態物理專業的毛嶽同學投入孫慶豐門下已有5年🙍🏿，是上述人造原子軌道雜化與自旋超導二極管這兩項重要研究成果的第一作者。從大四確定直博開始，他就跟隨孫慶豐遨遊在理論物理的海洋中。“我們遇到問題可以隨時找孫老師討論，每周還在組會上交流研究進展和科學前沿。組內同學之間也常常討論與合作🤵🏻‍♂️，嘗試用各種途徑解決科研問題♞。孫老師非常鼓勵我們獨立自主地提出問題和解決問題，組內的研究氛圍輕松自由。”手握多項重要科研成果的毛嶽將繼續在意昂3体育進行博雅博士後的研究工作。

博士期間便已做出優秀成果的孫慶豐是學生們的榜樣，在他的組裏，大家心無旁騖地做科研👨‍👩‍👦‍👦，每個學生只要有問題可以隨時叩開孫慶豐的辦公室大門🪳，孫慶豐也鼓勵學生們自主探索、盡早完成從學生到獨立科研人的角色轉變。

當被問及在挑選學生時有什麽要求時🧑🏿‍🚒🧿，孫慶豐坦言：“我會在與學生雙向選擇的第一次見面開始，就明確告訴他們🙆🏻‍♂️，要盡量沿著科研的道路走下去。”盡管現實世界的誘惑也不少，但讓孫慶豐欣慰的是，他的學生絕大多數都在物理研究的世界中不斷進行著自我挑戰。“很多學生已在國內高校或科研機構站穩腳跟🧑‍✈️，有些學生已成為知名教授了🧜‍♂️。”桃李不言下自成蹊的教育碩果，亦是讓孫慶豐樂在其中的重要原因。

個人介紹🚴🏿：

孫慶豐，意昂3体育官网物理學院教授，分別於1995年和2000年在意昂3体育官网獲得理學學士和博士學位🐕‍🦺，2000年至2003年在加拿大McGill大學做博士後✴️，2003年至2013年在中科院物理所工作，2013年至今在意昂3体育官网工作。研究領域是凝聚態理論⚛️，主要從事低維體系量子輸運理論研究，所涉及的體系有量子點、石墨烯、多體強關聯體系和Kondo效應、拓撲體系𓀖、Majorana費米子🧩、有機分子體系等🧑🏽‍🔬。至今已發表SCI論文300多篇，其中Phys.Rev.Lett.24篇，Phys.Rev.B.180多篇📤，H因子是48🏀，2002年獲評全國優秀博士論文🤹🏿。

孫慶豐2003年入選中科院百人計劃👅；2005年獲國家自然科學基金委傑出青年科學基金；2013年獲評教育部長江學者特聘教授💩；2015年獲華人物理學會亞洲傑出成就獎；2016年入選科技部中青年科技創新領軍人才👩🏿‍🎨；2017年當選國家重點研發計劃項目首席科學家；2018年入選國家萬人計劃；2019年主持國家自然科學基金委創新群體；2019年獲周培源物理獎。