2025年2月26日，一篇发表在《自然》（Nature）上的研究论文引起了物理同行的高度关注，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授课题组与北京师范大学物理与天文学院何林教授课题组紧密合作，首次在人造原子中实现了轨道杂化。这篇论文题为《石墨烯人造原子中的轨道杂化》（“Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”）的论文还同时发现了原子塌缩态与回音壁态两种完全不同态可以发生杂化。论文成果的发表意味着人造原子首次模拟了轨道杂化，为轨道杂化的研究开辟了新道路。

论文发表封面

模拟真实原子，理论与实验均实现轨道杂化

“自然界中的物质由原子构成，这涉及到原子之间化学键的形成和原子内轨道杂化两个关键的过程。”孙庆丰解释道。量子点因为受限效应形成与真实原子轨道相似的束缚态，被称为人造原子。此前，人造原子已经模拟了原子间化学键的形成，但是原子内的轨道杂化却一直未被模拟。

孙庆丰团队擅长理论和模拟，何林团队负责基础实验，两个团队合作此前在受限石墨烯体系研究上成果丰硕：在双层石墨烯量子点实现谷自由度调控；在单层石墨烯实现受限谷态调控、谷间散射波前位错调控；发现单层石墨烯量子点中原子塌缩态和回音壁态共存及相互演化；在单个量子点中引入势垒实现了分子态……

针对轨道杂化未曾被人造原子模拟出来的历史空白，孙庆丰和合作者提出人造原子的各向异性势可以让其能量相近的不同轨道受限态之间发生杂化。“如果在石墨烯量子点中将圆形势场变形为椭圆形势场，轨道量子数为0的s轨道和轨道量子数为2的d轨道之间将会发生杂化，重新组合成两个新的杂化态。”孙庆丰说道。

上半部分：真实原子中（a）未杂化的轨道和（b）sp²轨道杂化示意图。下半部分：人造原子中的（c）圆形势场和（d）椭圆形势场示意图

孙庆丰课题组从解析推导和数值计算两方面得到了杂化态的形状（θ形和倒θ形）。何林课题组在实验上对各种椭圆形量子点中的受限态进行探测，直接观测到轨道杂化特征。两个课题组经过大量推导和实验，攻坚克难，终于共同揭示了石墨烯量子点中的轨道杂化现象。“这种杂化也让我们发现，量子电动力学预测的重要现象——原子塌缩态和声学效应中的回音壁态，这两种由完全不同的物理机理导致的态可以发生杂化，杂化后的态同时含有原子塌缩态和回音壁态的成分。”孙庆丰进一步表示：随着量子点的形变逐渐增强，杂化强度逐渐提高，两个杂化态的能量逐渐劈开——这个效应从实验测量和理论计算方面都得到了证实。

“这就好像给我们打开了一扇新的大门，让我们更容易地探究原子内部的奥秘，也能更前瞻性地预测和探索更多的自然奥秘。这也是基础物理的魅力所在。”孙庆丰说道。

“艰辛奇崛”背后的“乐在其中”

孙庆丰从本科到博士毕业均在北京大学物理学院度过，师从著名物理学家林宗涵教授。他的博士学位论文《介观体系瞬态量子输运的理论研究》被评为当年全国优秀博士学位论文（全国各学科共100篇）。博士毕业后，孙庆丰在麦吉尔大学做博士后，与郭鸿教授在量子输运理论、自旋电子学、超导等相关研究方面进行密切合作。

“我从没想过除了科研之外的其他道路。”来自浙江省温州市的孙庆丰笑道：“既没有想过和我的家乡很多同学那样做生意，也没有想去转行做金融或者产业，我最擅长的就是物理，很自然地就遵从自己的内心走下来了。”

2003年，归来的孙庆丰加入中科院物理所，2005年，年仅35岁的孙庆丰因为博士及博士后期间所做出的重要科研成果，获得国家自然科学基金委杰出青年科学基金的支持，2013年成为教育部长江学者特聘教授。

2004年孙庆丰在中科院物理所办公室

“青年成名”的孙庆丰一直在普通人看起来“艰辛奇崛”的凝聚态物理的低维体系量子输运理论研究方面不辍耕耘。

当被问及看似与实践或成果产业化距离较远的理论物理最重要的价值的时候，孙庆丰举了自旋超导二极管研究的例子。

二极管是正向电阻和反向电阻不相等的电子器件，具有单向导通性，是现代集成电路的基本元件。二极管的电阻非零，使得电子器件工作时不可避免地有热耗散，这发热现象是当今亟待解决的难题。2020年，有研究人员实现了超导版的二极管效应，即研究者观测到正向超导临界电流和反向超导临界电流大小不相等。这意味着电流大小在正向、反向超导临界电流之间时，沿单向保持超流、电阻为0的现象。

2024年5月，孙庆丰团队揭示了“由自旋轨道耦合普遍引起的自旋超导二极管效应”，该项成果给出了自旋超导二极管的普适理论，发表在《物理评论快报》。“超导二极管有着很好的整流效应，在低功耗电子器件方面有重要应用前景。”在孙庆丰看来，科学实践的每一次突破都源于理论基石的夯实与创新，这之中的过程可能是漫长的，但也有可能在短时间内从“量”的积累实现“质”的飞跃——为理论基石“扎实培土”是吸引孙庆丰乐在其中的动因。

2025年1月7日，孙庆丰在内蒙古大学的量子物理前沿研讨会上报告“石墨烯中谷态、塌缩态、回音壁态的调控”工作

科学不是“独乐乐”，也要“众乐乐”

在很多人眼中，美剧《生活大爆炸》里“谢耳朵”（Sheldon）是理论物理学家的化身，他们聪明独立，嘴里念叨着普通人听不懂的词汇也不喜欢与他人合作。但在孙庆丰眼中，“谢耳朵”只是一种戏剧化的呈现方式，虽然道路艰深，但是如果没有合作者与学生团队的共同攻关，很难产生一个又一个突破性的进展。

人造原子的轨道杂化就是在孙庆丰团队与何林团队的共同努力下协力攻关的，也很好地阐释了理论物理与基础实验相辅相成、互相成就的关系。“有的时候理论研究跑得快一些，基础实验用作证实；有的时候基础实验的进展快一些，能够反哺理论。”孙庆丰说道。

孙庆丰是一位愿意与学生“众乐乐”的科学家。在他心目中，教学与科研具有同样重要的位置。采访的前一天是周一，这天下午，孙庆丰连续上了本科生的“量子力学讨论班”和“平衡态统计讨论班”两个讨论班课程。在北大物理自由勃发的沃土上，20岁上下的本科同学与老师常常开展辩论。“他们问的问题千奇百怪，有的想得深，有的想得广，与其他学科触类旁通，北大的同学脑袋确实够灵活！”孙庆丰笑着说。

2025年2月28日开组会时，全体博士后、博士生和参加课题的本科生合照

教学相长的孙庆丰尽管高产但并不是一位喜欢“Push”学生的严师。物理学院2020级凝聚态物理专业的毛岳同学投入孙庆丰门下已有5年，是上述人造原子轨道杂化与自旋超导二极管这两项重要研究成果的第一作者。从大四确定直博开始，他就跟随孙庆丰遨游在理论物理的海洋中。“我们遇到问题可以随时找孙老师讨论，每周还在组会上交流研究进展和科学前沿。组内同学之间也常常讨论与合作，尝试用各种途径解决科研问题。孙老师非常鼓励我们独立自主地提出问题和解决问题，组内的研究氛围轻松自由。”手握多项重要科研成果的毛岳将继续在北大进行博雅博士后的研究工作。

博士期间便已做出优秀成果的孙庆丰是学生们的榜样，在他的组里，大家心无旁骛地做科研，每个学生只要有问题可以随时叩开孙庆丰的办公室大门，孙庆丰也鼓励学生们自主探索、尽早完成从学生到独立科研人的角色转变。

当被问及在挑选学生时有什么要求时，孙庆丰坦言：“我会在与学生双向选择的第一次见面开始，就明确告诉他们，要尽量沿着科研的道路走下去。”尽管现实世界的诱惑也不少，但让孙庆丰欣慰的是，他的学生绝大多数都在物理研究的世界中不断进行着自我挑战。“很多学生已在国内高校或科研机构站稳脚跟，有些学生已成为知名教授了。”桃李不言下自成蹊的教育硕果，亦是让孙庆丰乐在其中的重要原因。

个人介绍：

孙庆丰，北京大学物理学院教授，分别于1995年和2000年在北京大学获得理学学士和博士学位，2000年至2003年在加拿大McGill大学做博士后，2003年至2013年在中科院物理所工作，2013年至今在北京大学工作。研究领域是凝聚态理论，主要从事低维体系量子输运理论研究，所涉及的体系有量子点、石墨烯、多体强关联体系和Kondo效应、拓扑体系、Majorana费米子、有机分子体系等。至今已发表SCI论文300多篇，其中Phys.Rev.Lett.24篇，Phys.Rev.B.180多篇，H因子是48，2002年获评全国优秀博士论文。

孙庆丰2003年入选中科院百人计划；2005年获国家自然科学基金委杰出青年科学基金；2013年获评教育部长江学者特聘教授；2015年获华人物理学会亚洲杰出成就奖；2016年入选科技部中青年科技创新领军人才；2017年当选国家重点研发计划项目首席科学家；2018年入选国家万人计划；2019年主持国家自然科学基金委创新群体；2019年获周培源物理奖。