摘要：波函数相位作为量子力学的基本概念，是诸多量子现象的物理根源。尽管其本身不可直接观测，却深刻影响量子系统的行为。量子相位在波函数的量子干涉、相位量子比特、固体材料的 Berry 相位、量子干涉器件的 Aharonov-Bohm 效应以及量子化学的分子轨道理论等领
波函数相位作为量子力学的基本概念，是诸多量子现象的物理根源。尽管其本身不可直接观测，却深刻影响量子系统的行为。量子相位在波函数的量子干涉、相位量子比特、固体材料的 Berry 相位、量子干涉器件的 Aharonov-Bohm 效应以及量子化学的分子轨道理论等领域均扮演关键角色。因而，探索新颖的量子相位效应始终是量子前沿领域的研究焦点。单个原子与分子的充放电伴随电荷转移行为，会显著影响其物理化学性质，如电荷传输特性、自旋态转变、光电转换、催化的反应性和选择性等。这种电荷态转变也会导致电子态的改变，而电子态是开发信息存储和处理器件的基础。因此，了解和控制单个原子与分子的充放电对于推动表面物理化学、分子电子学和能量存储技术的发展至关重要。光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）凭借单电荷分辨能力，为单原子与分子充放电行为研究提供了独特手段。通过 STM 探针施加的局域电场调控，可引发电荷态转变并在电荷中心周围形成电导环结构。这种局部电场使原子/分子的能级越过费米能级，导致电子数目的增加（充电）或减少（放电），从而可以观察和操纵它们的电荷状态转换。然而，电荷中心还存在内部自由度，例如能级轨道的量子相位，其在电荷态转变中的作用迄今尚不清楚。
近日，华中科技大学付英双教授（点击查看介绍）团队通过分子束外延技术将NTCDA分子生长在Pb(111)衬底上。通过STM表征发现自组装单层NTCDA分子与下面的Pb（111）基底形成莫尔图案。该莫尔图案调节分子轨道和基底费米能级之间的能量排列，从而产生不同充电态类型的分子。在不同的阈值电场下，具有s波对称性的针尖与具有反对称相位特征的分子轨道间在长镜轴方向产生相消电子隧穿，引发了分子电荷环在不同方向的强度显著变化，如图1所示（2-型分子）。因此，证明了分子轨道的量子相位可以从充电过程中表现出来。
图1. 单层NTCDA分子在微分电导谱中的充电环，及反对称量子相位的分子轨道与在s波针尖的相消隧穿效应示意图。
由于NTCDA分子与衬底间的相互作用相对较弱，使分子达到相对解耦的水平，因此这种电荷环电导强度及其方向变化的机制可以用双势垒隧穿结（DBTJ）进行解释。如图2a-b解释了基态为阴离子态的分子（1-型），在施加足够大的正偏压后，LUMO放电并进入隧穿窗口增强电子传输，并且分子驻留电子与镜像空穴产生的偶极感应电场
与尖端电场
相同，也增强了电子传输。如图2c-d解释了基态为中性的分子（2型），在施加足够大的负偏压后，LUMO充电并进入隧穿窗口增强电子传输，并且分子驻留电子与镜像空穴产生的偶极感应电场
与尖端电场
相反，此时两种因素相互竞争。同时，结合s波尖端沿的分子长镜轴的相消隧穿，从而引发了电荷环在不同方向的强烈变化。
图2. 双势垒隧穿结（DBTJ）示意图及STM测量示意图
此外，DFT计算证实发生了衬底电荷转移，且表面吸附的NTCDA分子的LUMO态保持了同自由分子一样的反相位波函数特征。同时还在另外一种同样具有反相位分子轨道特征的NTCDI分子中观测到类似的结果，表明量子相位介导的充电行为的普适性。这项研究揭示了分子系统中量子相位效应，为利用量子相位自由度调控和设计功能分子器件铺平了道路。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是华中科技大学硕士谌刚和博士生孙瑞静。
Charging of Single Molecules Mediated by the Quantum Phase of Molecular Orbitals
Gang Chen, Rui-Jing Sun, Dao-Bo Wang, Wen-Ao Liao, Wen-Hao Zhang, Chao-Fei Liu, Ying-Shuang Fu*
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c02539
付英双教授简介
付英双，华中科技大学物理学院教授。2008年于中国科学院物理研究所获凝聚态物理博士学位，2008-2011年在德国汉堡大学做博士后，2011-2014年在日本理化学研究所任国际特别研究员，2014年加入华中科技大学物理学院。2014年入选国家青年人才计划，2015年获得基金委优秀青年基金资助。主要研究方向为表界面量子体系的控制生长与电子结构的扫描隧道谱学表征和调控。在Nature Physics、Nature Communications、PRX、PRL、JACS、NSR等期刊上发表论文近七十篇。作为项目负责人主持科技部重点研发计划物态调控项目和大科学装置前沿研究项目，以及基金委重大研究计划重点项目等。
来源：X一MOL资讯
