南京大学宋凤麒、李超团队联合多国科研力量，揭示三角分子组装体中的非平衡关联电子动力学。

艺术示意图：扫描隧道显微镜探测三角分子团簇中的关联电荷重排与量子输运

一句话看懂 电子没有固定“座位”

在三角分子团簇中，同一个集体电荷状态可以由多个不同的电子位置组合共同描述。电子不再简单属于某一个分子——这正是标题中“像薛定谔的猫一样”的含义。

1.一只猫，三只分子电荷究竟在哪里>>

“薛定谔的猫”讲的是一个著名的量子力学思想实验：在打开盒子观察之前，猫不能简单地被说成只处于“活”或“死”中的一种状态。把这个比喻缩小到分子世界，研究人员面对的问题是：一个电子究竟属于哪一个分子？答案可能不是“它就待在左边那个分子上”，而是多个分子位置共同参与了体系的量子状态。

想象三个分子排成一个三角形，并用0 和 1 表示某个位置“没有电子”或“有电子”。当三个分子分享两个电子时，电荷可以对应 110、101、011 三种排列；只有一个电子时，则可以对应 100、010、001。实验和理论表明，团簇没有一个始终不变的电荷座次表：不同构型会共同参与测量到的集体多电子状态。正因如此，海外科技媒体把它形容为电荷同时“现身”于多个位置——就像盒子未打开时，薛定谔的猫不能只用一种经典状态来描述。

需要说明的是，“薛定谔式电荷”是一种帮助公众理解的形象说法。论文直接建立和验证的是非平衡条件下多体电荷态的占据与分子间电荷重排；它并不等同于已经演示了可操控的量子比特或完成了相干性测量。

南京大学原子制造研究院宋凤麒、李超团队与瑞士巴塞尔大学、伯尔尼大学、捷克科学院物理所、查理大学等单位合作，在《Nature Communications》发表论文“Non-equilibrium correlated electron dynamics in triangular molecular assemblies”。研究团队把分子一个个排成三分子和六分子三角团簇，再用低温扫描隧道显微镜逐点“询问”：这里有多少电荷？电流怎样流动？最后借助多体量子输运理论，把看到的环形、花瓣状图案还原成电子在团簇内部重新分配的过程。

2.像搭积木，也像拍地图：怎样看见电荷？>>

研究对象是四溴四氮芘（TBTAP）自由基分子。每个分子都带有一个未配对电子，彼此靠近后，电子便会相互“察觉”并相互排斥。研究人员用扫描隧道显微镜（STM）的针尖像移动原子积木一样，在 Pb(111) 表面拼出 C₃ 对称三聚体和三角六聚体；再在 2.6 K的低温下改变电压，逐点记录电荷和电流。扫描图中出现的一个个圆环和花瓣，就像电子留下的“交通轨迹”，透露出它们在不同分子之间如何重新排布。

图1｜三角三聚体的结构与隧穿谱表征。不同位置的谱线和电流曲线显示出随偏压变化的关联充电特征。图片据论文图件整理。

3.研究人员看到了什么？>>

01

电荷没有固定“座位”

三个分子分享两个电子时，可对应110、101、011 等多种排列。测量看到的是集体多电子状态，而不是一张永远不变的电荷座次表。

02

圆环不一定代表多了一个电子

STM 图中的充电环经常来自电子在不同分子之间重新排布；团簇的总电荷可能根本没有改变。

03

电压越推，电流反而越小

部分电压和位置出现负微分电导。原因是电子被引入通行效率较低的多体状态，有效隧穿通道随之减少。

4.另一个反常现象：电压越高，电流反而越小>>

通常，人们会认为电压加得越大，电流也会越大。但在团簇的某些位置和电压范围内，研究人员看到了相反结果：继续升高电压，电流反而下降，这就是负微分电导。它有点像不断催促车流，却把车辆引向了离出口更远、通行效率更低的车道——电压升高后，体系进入新的多电子状态，电子占据概率转移到与 STM 针尖耦合较弱的分子位置，有效隧穿通道反而减少。分子轨道的对称性还会进一步塑造电流分布，于是形成了醒目的花瓣状和手性图案。

图2｜三聚体充电环与负微分电导的实验—理论对照。模型复现了充电环交叠、中心低电导区及空间图案演化。图片据论文图件整理。

图3｜多体能级、非平衡占据和电流通道分解。计算揭示负微分电导与集体电荷态占据重分配之间的联系。图片据论文图件整理。

5.六分子团簇：电荷也有“内圈”和“外圈”>>

当团簇扩大到六个分子时，电荷呈现出更有层次的分布：内层分子倾向于保持中性，外层三个分子则带电。外层电荷产生的局域电场又会反过来调节内层分子的能级，好像外圈分子为内圈分子设置了一道可调的“电势围栏”。改变电压后，内层出现充电环和大范围负微分电导，说明这种“电荷没有固定座位”的集体行为可以延伸到更复杂的分子结构。

图4｜三角六聚体随负偏压变化的 dI/dV 空间映射。外层带电分子通过局域静电环境影响内层分子的输运响应。图片据论文图件整理。

研究意义：从“看见奇特图案”走向“读懂电子行为”

这项工作的关键不只是拍到了漂亮的电荷环，而是建立了能定量复现实验图案的多体理论模型。未来，研究人员有望通过改变分子数量、排列方式和周围静电环境，按需设计分子尺度的开关、非线性输运单元以及更复杂的量子电子结构。

6.海外科技媒体关注>>

研究发表后，Phys.org 与 Nanowerk 先后进行专题报道。Phys.org 以“六分子团簇中的薛定谔式电荷指向新型量子元件”为题，重点介绍电荷不再局域于某一个分子、而可由多个可能位置共同描述的现象；报道还特别提到“电压升高、电流反而下降”的负微分电导。两家媒体均将这项工作视为理解和设计纳米尺度量子元件的重要一步。

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