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量子材料科学中心江颖、王恩哥等在Progress in Surface Science上发表水的核量子效应研究综述
日期: 2017-12-06  信息来源: 量子材料科学中心

近日,北京大学量子材料科学中心江颖、王恩哥等受邀在国际著名杂志Progress in Surface Science上发表了题为“Atomic-scale investigation of nuclear quantum effects of surface water: Experiments and theory”的综述文章【Prog. Surf. Sci. 92,203–239(2017)】,全面介绍和评述水的核量子效应研究进展,并展望其未来发展方向。Progress in Surface Science是表面科学领域最具影响力的综述期刊之一,特别注重跨学科的研究突破和重要进展,一年只出版4期,每期出版1-2篇文章。

水无处不在,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。然而,水的结构和许多反常物性至今仍无法被人所理解。水之所以如此复杂,其中一个很重要的原因就是源于氢原子核的量子效应。由于氢原子核是质量最小的原子核,其量子特性(量子隧穿和量子涨落)会异常明显。核量子效应很有可能是揭开水的世纪难题的关键所在。该综述文章针对“如何精准描述核量子效应对水的结构和动力学的影响”这个关键科学问题,回顾了十多年来国内外在实验技术和理论方法上的进展,并重点介绍了该团队将核量子效应研究推向原子尺度的突破性工作,最后展望了核量子效应研究的未来发展方向和面临的问题。

水的核量子效应研究是物理和化学学科交叉的一个新生长点,也是国际上的一个新兴领域,已展现出非凡的生命力和广泛的影响力。该团队在这个方向上取得了奠基性的成果,并引领了该方向的发展。近年来,他们自主研发了一套对原子核量子态敏感的扫描隧道显微术,分别在实空间和能量空间实现了对氢核量子态的精密探测;理论上,成功发展了一套基于第一性原理的路径积分分子动力学新方法(全量子化计算方法)。基于这些技术和方法,他们首次获得水分子的亚分子级成像【Nature Materials 13,184(2014)】,发现一种新的二维冰相【Nature Communications 5,4056(2014)】,并观察到氢核的协同量子隧穿【Nature Physics 11,235(2015)】,在国际上率先测定了氢键的量子成分【Science 352,321(2016)】。这些研究成果澄清了核量子效应领域长期争论的关键问题,从全新的角度诠释了水的奥秘。

早些时候,江颖课题组还应邀在Advances in Physics: X上发表了题为“Recent advances in inelastic electron tunneling spectroscopy”的综述文章【Adv. Phys. X 2,907-936(2017)】,专门介绍核量子效应研究的单分子谱学实验手段:非弹性电子隧穿谱技术,以及该技术在探测各种元激发、化学元素识别、化学结构成像、催化反应等方面的广泛应用。

这项工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重点项目、国家重点研发计划项目等经费的支持。江颖和王恩哥为文章的共同通讯作者,博士后郭静为文章的第一作者。理论计算方面的合作者包括北大物理学院李新征研究员和华中科技大学吕京涛教授。

编辑:安宁


   
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