為何超原子如此重要?從發(fā)展過程來體會,是因為終于可以把紛繁復(fù)雜的團簇結(jié)構(gòu)以量子力學(xué)屬性實現(xiàn)物理規(guī)律把握,從而為以團簇作為基元的物性表征與調(diào)控包括相關(guān)的制造和功能應(yīng)用提供了基于原子層次的抓手.因此可認為,由團簇科技發(fā)展到超原子的物理學(xué)研究是必然的,所以我們提出了超原子物理學(xué)的概念和范疇.超原子作為歸屬于分子的多原子復(fù)雜系統(tǒng),它的電子結(jié)構(gòu)與原子有相近性,凸顯了超原子系統(tǒng)中相互作用有深刻且豐富的物理內(nèi)涵.依托于原子物理學(xué)的巨大成就,將原子層次的科技能力結(jié)合到超原子研究上,將開辟新的領(lǐng)域方向,促進從結(jié)構(gòu)出發(fā)的傳統(tǒng)研究思路轉(zhuǎn)變到以功能為核心的研究范式,從而帶來新的發(fā)展機遇. 

【文章來源】：原子與分子物理學(xué)報. 2020,37(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

典型的Al13團簇質(zhì)譜幻數(shù)(a)和超原子結(jié)構(gòu)特性(b)[15,16].

由于超原子相近于原子且種類極度豐富,一旦實現(xiàn)了有效的超原子制造,則可帶來一個重要甚至是關(guān)鍵的前景:以超原子這種人工基元來模擬元素周期表中的原子,乃至發(fā)展出超越自然界元素原子的新特性. 而可預(yù)見地,超原子帶給人們的機遇遠不止如此. 眾所周知,微觀體系特性由量子力學(xué)決定,因此原子層次上的功能是由電子結(jié)構(gòu)特性決定. 以往,由于自然元素種類的限制,我們的出發(fā)點往往是結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)出發(fā)去探索和發(fā)展功能,這導(dǎo)致了功能特性明顯受到結(jié)構(gòu)單元種類有限的制約. 而一旦實現(xiàn)了以超原子為基元,其種類的極大豐富,使得我們可以擺脫從結(jié)構(gòu)出發(fā)的傳統(tǒng)方式,轉(zhuǎn)為以功能為核心的研究新范式. 這不論是對功能的性能指標提升還是新型功能機制發(fā)展,都是極為重要的機會.回顧歷史,每一次重要的認識轉(zhuǎn)變都可謂是“需求”導(dǎo)致,都是為了促進人類的進步. 科學(xué)研究包括了興趣驅(qū)動,但其最根本的導(dǎo)向還是為促進人類發(fā)展,以此體現(xiàn)科學(xué)研究存在的價值. 科研探索一般會經(jīng)歷從觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律,再到運用規(guī)律的過程. 如此,不同階段的聚焦是會有區(qū)別的,若能達到運用規(guī)律,則趨近于實現(xiàn)功能性主導(dǎo). 我們把研究從原子推進到超原子,則會凸顯這種功能性聚焦. 總之,超原子概念及相應(yīng)內(nèi)涵的提出打開了全新局面.

第一個例子較早,是納米尺度上金的不同尺寸結(jié)構(gòu)垂直電離能實驗研究. 從圖1a中唯象可見,在體系原子數(shù)目為從1到約30的范圍,電離能數(shù)值曲線劇烈抖動,說明在這個范圍的(電子)結(jié)構(gòu)是顯著變化的. 而在30到70的大致范圍抖動也在持續(xù),但幅度變小,這說明隨著體系尺寸增大,已經(jīng)開始產(chǎn)生了核心結(jié)構(gòu),再增加的原子仍然會改變體系的特性,但趨勢逐漸減小. 這個從1到70個原子的大致范疇,就是金的團簇結(jié)構(gòu)區(qū)間. 與此相對地,70到200個原子的大致范圍內(nèi),已經(jīng)可以被明顯地擬合出一條漸進直線,這是明顯不同于70個原子之前的特點. 而且,這條可擬合出的電離能直線延伸通向我們已知的固體也就是凝聚態(tài)物質(zhì). 需要注意的是,這條直線上的結(jié)構(gòu)就是納米顆粒的范圍,也就是我們通常說的納米材料. 第二個例子發(fā)表于2018年,這些詞匯的內(nèi)涵再次被加強論述. 從圖1b中可見,體系尺度在0.1 nm的是原子,因此可以通過量子力學(xué)進行描述,也就是使用了“電子軌道”. 而在結(jié)構(gòu)大于5 nm的范圍,使用了凝聚態(tài)常用的語言,也就是“能帶理論”. 而處于2 nm附近的結(jié)構(gòu)被定義為團簇,更為重要地,是使用了“分子軌道(molecular orbitals)”這個詞匯. 分子軌道,體現(xiàn)了分子受量子力學(xué)支配的鮮明特點,所以,團簇的物理實質(zhì)是受到量子力學(xué)規(guī)律支配且歸屬于分子的微觀多原子結(jié)構(gòu).進一步的問題是,團簇是什么類型的分子?分子這個概念也可謂包羅萬象,從電子結(jié)構(gòu)角度觀察也存在不同的特征. 本文指出,團簇可謂是一類特殊的分子,它的特殊性體現(xiàn)在組成團簇的原子是彼此協(xié)同、不可或缺的. 對于這一點,圖1a中垂直電離能特性就是物理上的直接證明. 我們將團簇中的原子彼此協(xié)同這個表述,換一種符合量子力學(xué)角度的描述,即團簇中(價)電子本身凸顯了原子之間的原子層次關(guān)聯(lián). 這種量子力學(xué)決定的關(guān)聯(lián)貫穿于團簇整體,使得組成團簇的任何一個原子都不可或缺. 這就是我們所強調(diào)的,團簇是一類特殊的分子. 也因此可見,團簇在原子層次上的屬性,對應(yīng)于量子力學(xué)決定的電子結(jié)構(gòu)(也就是構(gòu)象和電子態(tài))可分辨.

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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[2]高角動量超原子系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)理論研究[D]. 高陽.吉林大學(xué) 2017
[3]含有f價殼層電子的金屬限域系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)理論研究[D]. 代星.吉林大學(xué) 2015



本文編號：3306070