我國首次在原子尺度揭示水的核量子效應

《科學》雜誌在創刊125週年之際，公佈了本世紀125個最具挑戰性的科學問題，其中包括：水的結構如何？理解水的結構和物性對於人類的社會和生命活動具有非常直接和深遠的意義。研究發現，核量子效應研究對於理解水的微觀結構和動力學非常關鍵。北京大學量子材料科學中心江穎、王恩哥課題組圍繞“原子尺度上水的核量子效應”開展研究工作，基於掃描隧道顯微鏡（STM），分別發展了亞分子級分辨成像技術、單分子操控技術和單分子振動譜技術，首次實現了核量子態的原子尺度探測和操控。課題組在表面水體系中發現了一系列新奇的核量子效應。

課題組通過精確控制水分子-針尖耦合和水分子-襯底的耦合，提升了STM對氫原子核空間位置的靈敏度，在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇的亞分子級分辨圖像，在國際上首次實現了對水分子的空間取向和水團簇的氫鍵方向性的直接識別。該工作發展的水分子亞分子級分辨成像技術使得人們可以深入到單個水分子的內部自由度，對質子（氫核）的位置進行精確定位，開拓了原子尺度上氫核量子效應的研究。

課題組將STM的亞分子級成像技術和實時探測技術相結合，實現了對NaCl(001)表面上單個水團簇內氫核轉移的實時跟蹤，直接觀察到了氫核在水分子團簇內的量子隧穿動力學過程，確認了這種隧穿過程由四個氫核協同完成，是一種全新的相干量子過程，比經典過程更容易發生。該工作結束了水科學領域二十多年來關於“氫核協同隧穿是否存在”的爭論，對於理解水/冰的相變和生命體中的質子傳輸有非常重要的意義。

課題組進一步基於STM發展了獨特的“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，突破了傳統非彈性電子隧穿譜技術在信噪比和分辨率方面的限制，在單鍵水平上測量了氫核的量子漲落對水/鹽界面上氫鍵鍵強的影響，提出了“核量子漲落強化強氫鍵，弱化弱氫鍵”的普適物理圖像。首次在國際上測得了氫鍵的量子成分，澄清了氫鍵的量子本質，表明氫核的量子漲落不僅是對經典相互作用的簡單修正，其效應足以對水的結構産生顯著的影響，為理解水的微觀結構和反常物性提供了全新的思路。該成果在2016年《科學》雜誌上發表。