發現氫鍵體系的多體關聯量子效應

繼去年獲得界面水/冰氫鍵構型的高分辨圖像後，beat365量子材料中心、量子物質科學協同創新中心的江穎課題組和王恩哥課題組通過合作再進一步，實現了對單個水團簇的氫鍵構型動态變化的實時監測，在實空間直接觀察到了質子在氫鍵網絡内的協同量子隧穿過程。相關研究成果于2月16日在線發表在物理領域最具影響力的雜志《自然•物理》(Nature Physics doi:10.1038/nphys3225)。同期的Nature Physics在“News and Views”欄目中專門刊發了德國著名學者Dominik Marx教授以“Tunnelling in chiral water clusters: Protons in concert”為題對該工作進行的評述。這也是在短短一年時間内，兩個課題組通過實驗和理論的密切合作，在Nature系列期刊發表的第三篇文章。

水的氫鍵構型往往不是靜态的，而是不斷的在變換和重組，信息和能量也常常在氫鍵構型中來回傳遞。因此，氫鍵動力學過程的研究對于人們理解真實條件下水的物理化學特性具有非常重要的意義。質子（氫核）沿氫鍵的轉移是一種非常重要的氫鍵動力學過程，由于質子的質量很小，在轉移過程中往往會表現出顯著的核量子效應，比如：量子隧穿、零點運動等。更為有趣的是，氫鍵網絡中的質子并不是相互獨立的，通常具有很強的關聯性。因此，氫鍵體系中的質子轉移實際上會涉及到多體量子行為，目前人們對它的理解還非常的有限。

近年來，江穎課題組基于超高真空低溫掃描隧道顯微鏡（STM）發展了一套獨特的亞分子級軌道成像技術[Nature Materials 13, 184 (2014), Nature Communications 5, 4056 (2014)]，可以在實空間直接識别氫鍵的方向性，并對質子進行精确定位，為原子尺度上質子動力學研究提供了必要條件。最近，江穎等進一步将亞分子級軌道成像技術和實時探測技術相結合，實現了對NaCl(001)表面上單個水團簇内質子轉移的實時跟蹤，直接觀察到了質子在水團簇内的量子隧穿動力學過程。王恩哥等基于第一性原理計算方法并特别考慮了氫核的全量子化，發現這種隧穿過程由多個質子協同完成，是一種全新的相幹量子過程。這種多體量子行為對實驗探測技術的要求非常苛刻，任何微小的外界環境幹擾都有可能破壞質子之間的相幹性，從而抑制這種協同隧穿過程。此外，他們還利用功能化的STM針尖控制質子隧穿勢壘和質子之間的相幹性,實現了對這種多體量子态的原子尺度操控。

該工作表明，多體關聯量子行為在水的氫鍵動力學過程扮演着不可忽視的角色。實驗中觀察到的質子協同隧穿，遠比單粒子隧穿容易發生，很有可能廣泛存在于氫鍵體系，這對于理解冰和有機鐵電材料的相變過程以及生物體系的信号傳遞過程有非常重要的意義。另外，該工作發展的技術不僅為氫鍵動力學的研究開辟了新的途徑，而且為實驗上精确、定量描述氫鍵體系的核量子效應提供了可能。

直博生孟祥志、郭靜和彭金波是文章的共同第一作者，beat365的李新征研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點基礎研究發展計劃、“萬人計劃”青年拔尖人才支持計劃等項目的資助。