我國首次在原子尺度揭示水的核量子效應(yīng)

人民網(wǎng)北京2月13日電（記者賀迎春）科技部網(wǎng)站消息，北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎、王恩哥課題組圍繞“原子尺度上水的核量子效應(yīng)”開展研究工作，基于掃描隧道顯微鏡（STM），分別發(fā)展了亞分子級(jí)分辨成像技術(shù)、單分子操控技術(shù)和單分子振動(dòng)譜技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了核量子態(tài)的原子尺度探測(cè)和操控。課題組在表面水體系中發(fā)現(xiàn)了一系列新奇的核量子效應(yīng)。

據(jù)悉，《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際，公布了本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其中包括：水的結(jié)構(gòu)如何？理解水的結(jié)構(gòu)和物性對(duì)于人類的社會(huì)和生命活動(dòng)具有非常直接和深遠(yuǎn)的意義。研究發(fā)現(xiàn)，核量子效應(yīng)研究對(duì)于理解水的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)非常關(guān)鍵。

該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(duì)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(gè)水分子和水團(tuán)簇的亞分子級(jí)分辨圖像，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)水分子的空間取向和水團(tuán)簇的氫鍵方向性的直接識(shí)別。該工作發(fā)展的水分子亞分子級(jí)分辨成像技術(shù)使得人們可以深入到單個(gè)水分子的內(nèi)部自由度，對(duì)質(zhì)子（氫核）的位置進(jìn)行精確定位，開拓了原子尺度上氫核量子效應(yīng)的研究。

課題組將STM的亞分子級(jí)成像技術(shù)和實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NaCl(001)表面上單個(gè)水團(tuán)簇內(nèi)氫核轉(zhuǎn)移的實(shí)時(shí)跟蹤，直接觀察到了氫核在水分子團(tuán)簇內(nèi)的量子隧穿動(dòng)力學(xué)過程，確認(rèn)了這種隧穿過程由四個(gè)氫核協(xié)同完成，是一種全新的相干量子過程，比經(jīng)典過程更容易發(fā)生。該工作結(jié)束了水科學(xué)領(lǐng)域二十多年來關(guān)于“氫核協(xié)同隧穿是否存在”的爭論，對(duì)于理解水/冰的相變和生命體中的質(zhì)子傳輸有非常重要的意義。

課題組進(jìn)一步基于STM發(fā)展了獨(dú)特的“針尖增強(qiáng)的非彈性電子隧穿譜”技術(shù)，突破了傳統(tǒng)非彈性電子隧穿譜技術(shù)在信噪比和分辨率方面的限制，在單鍵水平上測(cè)量了氫核的量子漲落對(duì)水/鹽界面上氫鍵鍵強(qiáng)的影響，提出了“核量子漲落強(qiáng)化強(qiáng)氫鍵，弱化弱氫鍵”的普適物理圖像。首次在國際上測(cè)得了氫鍵的量子成分，澄清了氫鍵的量子本質(zhì)，表明氫核的量子漲落不僅是對(duì)經(jīng)典相互作用的簡單修正，其效應(yīng)足以對(duì)水的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響，為理解水的微觀結(jié)構(gòu)和反常物性提供了全新的思路。該成果在2016年《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

(責(zé)編：熊旭、賀迎春)