我国首次在原子尺度揭示水的核量子效应

《科学》杂志在创刊125周年之际，公布了本世纪125个最具挑战性的科学问题，其中包括：水的结构如何？理解水的结构和物性对于人类的社会和生命活动具有非常直接和深远的意义。研究发现，核量子效应研究对于理解水的微观结构和动力学非常关键。北京大学量子材料科学中心江颖、王恩哥课题组围绕“原子尺度上水的核量子效应”开展研究工作，基于扫描隧道显微镜（STM），分别发展了亚分子级分辨成像技术、单分子操控技术和单分子振动谱技术，首次实现了核量子态的原子尺度探测和操控。课题组在表面水体系中发现了一系列新奇的核量子效应。

课题组通过精确控制水分子-针尖耦合和水分子-衬底的耦合，提升了STM对氢原子核空间位置的灵敏度，在NaCl(001)薄膜表面上获得了单个水分子和水团簇的亚分子级分辨图像，在国际上首次实现了对水分子的空间取向和水团簇的氢键方向性的直接识别。该工作发展的水分子亚分子级分辨成像技术使得人们可以深入到单个水分子的内部自由度，对质子（氢核）的位置进行精确定位，开拓了原子尺度上氢核量子效应的研究。

课题组将STM的亚分子级成像技术和实时探测技术相结合，实现了对NaCl(001)表面上单个水团簇内氢核转移的实时跟踪，直接观察到了氢核在水分子团簇内的量子隧穿动力学过程，确认了这种隧穿过程由四个氢核协同完成，是一种全新的相干量子过程，比经典过程更容易发生。该工作结束了水科学领域二十多年来关于“氢核协同隧穿是否存在”的争论，对于理解水/冰的相变和生命体中的质子传输有非常重要的意义。

课题组进一步基于STM发展了独特的“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，突破了传统非弹性电子隧穿谱技术在信噪比和分辨率方面的限制，在单键水平上测量了氢核的量子涨落对水/盐界面上氢键键强的影响，提出了“核量子涨落强化强氢键，弱化弱氢键”的普适物理图像。首次在国际上测得了氢键的量子成分，澄清了氢键的量子本质，表明氢核的量子涨落不仅是对经典相互作用的简单修正，其效应足以对水的结构产生显著的影响，为理解水的微观结构和反常物性提供了全新的思路。该成果在2016年《科学》杂志上发表。