為實現(xiàn)對氫核量子特性的精確探測和描述，江穎課題組和王恩哥課題組近年來在相關(guān)實驗技術(shù)和理論方法上分別取得突破。他們成功發(fā)展了對于氫核敏感的超高分辨掃描探針顯微術(shù)，開發(fā)了基于第一性原理的路徑積分分子動力學方法（全量子化計算），實現(xiàn)了單個水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的直接識別，并在此基礎(chǔ)上探測到氫核的動態(tài)轉(zhuǎn)移過程。

水的全量子效應(yīng)

左圖為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應(yīng)的示意圖。右圖為單個水分子的非彈性電子隧穿譜，從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉(zhuǎn)動等振動模式，這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。

最近，他們又基于掃描隧道顯微鏡研發(fā)了一套“針尖增強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，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度。

通過可控的同位素替換實驗，并結(jié)合全量子化計算模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)氫鍵的量子成分可遠大于室溫下的熱能，表明氫核的量子效應(yīng)不只是對經(jīng)典相互作用的簡單修正，其足以對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。進一步分析表明，氫核的非簡諧零點運動會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當?shù)钠者m性，澄清了學術(shù)界長期爭論的氫鍵的量子本質(zhì)。

《科學》雜志審稿人盛贊該工作是“實驗的杰作”“一定會引起譜學界的廣泛興趣”“為研究氫核量子效應(yīng)提供了一個絕佳的平臺”。江穎和王恩哥分別負責該工作的實驗和理論部分。

據(jù)了解，“水的結(jié)構(gòu)是什么”是《科學》雜志在創(chuàng)刊125周年的特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。水的結(jié)構(gòu)之所以如此復雜，其中一個很重要的原因就是源于水分子之間的氫鍵相互作用。人們通常認為氫鍵的本質(zhì)為經(jīng)典的靜電相互作用，然而由于氫原子核質(zhì)量很小，其量子特性（量子隧穿和量子漲落）往往不可忽視，因此氫鍵同時也包含一定的量子成分。氫核的量子效應(yīng)對氫鍵相互作用到底有多大影響？或者說氫鍵的量子成分究竟有多大？這個問題對于理解水/冰的微觀結(jié)構(gòu)和反常物性至關(guān)重要。但是，氫核的量子化研究無論對于實驗還是理論都非常具有挑戰(zhàn)性。