从原子到超原子的原子层次新机遇
发布时间：2021-07-27 15:41
为何超原子如此重要?从发展过程来体会,是因为终于可以把纷繁复杂的团簇结构以量子力学属性实现物理规律把握,从而为以团簇作为基元的物性表征与调控包括相关的制造和功能应用提供了基于原子层次的抓手.因此可认为,由团簇科技发展到超原子的物理学研究是必然的,所以我们提出了超原子物理学的概念和范畴.超原子作为归属于分子的多原子复杂系统,它的电子结构与原子有相近性,凸显了超原子系统中相互作用有深刻且丰富的物理内涵.依托于原子物理学的巨大成就,将原子层次的科技能力结合到超原子研究上,将开辟新的领域方向,促进从结构出发的传统研究思路转变到以功能为核心的研究范式,从而带来新的发展机遇.
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
典型的Al13团簇质谱幻数(a)和超原子结构特性(b)[15,16].
由于超原子相近于原子且种类极度丰富,一旦实现了有效的超原子制造,则可带来一个重要甚至是关键的前景:以超原子这种人工基元来模拟元素周期表中的原子,乃至发展出超越自然界元素原子的新特性. 而可预见地,超原子带给人们的机遇远不止如此. 众所周知,微观体系特性由量子力学决定,因此原子层次上的功能是由电子结构特性决定. 以往,由于自然元素种类的限制,我们的出发点往往是结构,从结构出发去探索和发展功能,这导致了功能特性明显受到结构单元种类有限的制约. 而一旦实现了以超原子为基元,其种类的极大丰富,使得我们可以摆脱从结构出发的传统方式,转为以功能为核心的研究新范式. 这不论是对功能的性能指标提升还是新型功能机制发展,都是极为重要的机会.回顾历史,每一次重要的认识转变都可谓是“需求”导致,都是为了促进人类的进步. 科学研究包括了兴趣驱动,但其最根本的导向还是为促进人类发展,以此体现科学研究存在的价值. 科研探索一般会经历从观察现象、总结规律,再到运用规律的过程. 如此,不同阶段的聚焦是会有区别的,若能达到运用规律,则趋近于实现功能性主导. 我们把研究从原子推进到超原子,则会凸显这种功能性聚焦. 总之,超原子概念及相应内涵的提出打开了全新局面.
第一个例子较早,是纳米尺度上金的不同尺寸结构垂直电离能实验研究. 从图1a中唯象可见,在体系原子数目为从1到约30的范围,电离能数值曲线剧烈抖动,说明在这个范围的(电子)结构是显著变化的. 而在30到70的大致范围抖动也在持续,但幅度变小,这说明随着体系尺寸增大,已经开始产生了核心结构,再增加的原子仍然会改变体系的特性,但趋势逐渐减小. 这个从1到70个原子的大致范畴,就是金的团簇结构区间. 与此相对地,70到200个原子的大致范围内,已经可以被明显地拟合出一条渐进直线,这是明显不同于70个原子之前的特点. 而且,这条可拟合出的电离能直线延伸通向我们已知的固体也就是凝聚态物质. 需要注意的是,这条直线上的结构就是纳米颗粒的范围,也就是我们通常说的纳米材料. 第二个例子发表于2018年,这些词汇的内涵再次被加强论述. 从图1b中可见,体系尺度在0.1 nm的是原子,因此可以通过量子力学进行描述,也就是使用了“电子轨道”. 而在结构大于5 nm的范围,使用了凝聚态常用的语言,也就是“能带理论”. 而处于2 nm附近的结构被定义为团簇,更为重要地,是使用了“分子轨道(molecular orbitals)”这个词汇. 分子轨道,体现了分子受量子力学支配的鲜明特点,所以,团簇的物理实质是受到量子力学规律支配且归属于分子的微观多原子结构.进一步的问题是,团簇是什么类型的分子?分子这个概念也可谓包罗万象,从电子结构角度观察也存在不同的特征. 本文指出,团簇可谓是一类特殊的分子,它的特殊性体现在组成团簇的原子是彼此协同、不可或缺的. 对于这一点,图1a中垂直电离能特性就是物理上的直接证明. 我们将团簇中的原子彼此协同这个表述,换一种符合量子力学角度的描述,即团簇中(价)电子本身凸显了原子之间的原子层次关联. 这种量子力学决定的关联贯穿于团簇整体,使得组成团簇的任何一个原子都不可或缺. 这就是我们所强调的,团簇是一类特殊的分子. 也因此可见,团簇在原子层次上的属性,对应于量子力学决定的电子结构(也就是构象和电子态)可分辨.
【参考文献】：
期刊论文
[1]超原子物理学:原子层次上物理的新方向[J]. 王志刚. 科学通报. 2020(21)
[2]超原子组装诱导的从绝缘体到半导体性质转变:一个理论研究（英文）[J]. 王佳,姜万润,解伟誉,王健鹏,王志刚. Science China Materials. 2019(03)
[3]Effects of 5f-elements on electronic structures and spectroscopic properties of gold superatom model[J]. 高阳,王志刚. Chinese Physics B. 2016(08)
博士论文
[1]超原子的分子内和分子间相互作用理论研究[D]. 解伟誉.吉林大学 2020
[2]高角动量超原子系统的电子结构理论研究[D]. 高阳.吉林大学 2017
[3]含有f价壳层电子的金属限域系统电子结构理论研究[D]. 代星.吉林大学 2015
本文编号：3306070
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
典型的Al13团簇质谱幻数(a)和超原子结构特性(b)[15,16].
由于超原子相近于原子且种类极度丰富,一旦实现了有效的超原子制造,则可带来一个重要甚至是关键的前景:以超原子这种人工基元来模拟元素周期表中的原子,乃至发展出超越自然界元素原子的新特性. 而可预见地,超原子带给人们的机遇远不止如此. 众所周知,微观体系特性由量子力学决定,因此原子层次上的功能是由电子结构特性决定. 以往,由于自然元素种类的限制,我们的出发点往往是结构,从结构出发去探索和发展功能,这导致了功能特性明显受到结构单元种类有限的制约. 而一旦实现了以超原子为基元,其种类的极大丰富,使得我们可以摆脱从结构出发的传统方式,转为以功能为核心的研究新范式. 这不论是对功能的性能指标提升还是新型功能机制发展,都是极为重要的机会.回顾历史,每一次重要的认识转变都可谓是“需求”导致,都是为了促进人类的进步. 科学研究包括了兴趣驱动,但其最根本的导向还是为促进人类发展,以此体现科学研究存在的价值. 科研探索一般会经历从观察现象、总结规律,再到运用规律的过程. 如此,不同阶段的聚焦是会有区别的,若能达到运用规律,则趋近于实现功能性主导. 我们把研究从原子推进到超原子,则会凸显这种功能性聚焦. 总之,超原子概念及相应内涵的提出打开了全新局面.
第一个例子较早,是纳米尺度上金的不同尺寸结构垂直电离能实验研究. 从图1a中唯象可见,在体系原子数目为从1到约30的范围,电离能数值曲线剧烈抖动,说明在这个范围的(电子)结构是显著变化的. 而在30到70的大致范围抖动也在持续,但幅度变小,这说明随着体系尺寸增大,已经开始产生了核心结构,再增加的原子仍然会改变体系的特性,但趋势逐渐减小. 这个从1到70个原子的大致范畴,就是金的团簇结构区间. 与此相对地,70到200个原子的大致范围内,已经可以被明显地拟合出一条渐进直线,这是明显不同于70个原子之前的特点. 而且,这条可拟合出的电离能直线延伸通向我们已知的固体也就是凝聚态物质. 需要注意的是,这条直线上的结构就是纳米颗粒的范围,也就是我们通常说的纳米材料. 第二个例子发表于2018年,这些词汇的内涵再次被加强论述. 从图1b中可见,体系尺度在0.1 nm的是原子,因此可以通过量子力学进行描述,也就是使用了“电子轨道”. 而在结构大于5 nm的范围,使用了凝聚态常用的语言,也就是“能带理论”. 而处于2 nm附近的结构被定义为团簇,更为重要地,是使用了“分子轨道(molecular orbitals)”这个词汇. 分子轨道,体现了分子受量子力学支配的鲜明特点,所以,团簇的物理实质是受到量子力学规律支配且归属于分子的微观多原子结构.进一步的问题是,团簇是什么类型的分子?分子这个概念也可谓包罗万象,从电子结构角度观察也存在不同的特征. 本文指出,团簇可谓是一类特殊的分子,它的特殊性体现在组成团簇的原子是彼此协同、不可或缺的. 对于这一点,图1a中垂直电离能特性就是物理上的直接证明. 我们将团簇中的原子彼此协同这个表述,换一种符合量子力学角度的描述,即团簇中(价)电子本身凸显了原子之间的原子层次关联. 这种量子力学决定的关联贯穿于团簇整体,使得组成团簇的任何一个原子都不可或缺. 这就是我们所强调的,团簇是一类特殊的分子. 也因此可见,团簇在原子层次上的属性,对应于量子力学决定的电子结构(也就是构象和电子态)可分辨.
【参考文献】：
期刊论文
[1]超原子物理学:原子层次上物理的新方向[J]. 王志刚. 科学通报. 2020(21)
[2]超原子组装诱导的从绝缘体到半导体性质转变:一个理论研究（英文）[J]. 王佳,姜万润,解伟誉,王健鹏,王志刚. Science China Materials. 2019(03)
[3]Effects of 5f-elements on electronic structures and spectroscopic properties of gold superatom model[J]. 高阳,王志刚. Chinese Physics B. 2016(08)
博士论文
[1]超原子的分子内和分子间相互作用理论研究[D]. 解伟誉.吉林大学 2020
[2]高角动量超原子系统的电子结构理论研究[D]. 高阳.吉林大学 2017
[3]含有f价壳层电子的金属限域系统电子结构理论研究[D]. 代星.吉林大学 2015
本文编号：3306070
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