【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京懷柔輕元素量子材料交叉平臺(tái)江穎教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟勝研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過掃描探針顯微學(xué)(SPM)與量子傳感領(lǐng)域的交叉融合創(chuàng)新，發(fā)展出一種對(duì)固-液界面極為敏感的量子顯微鏡技術(shù)，首次在納米尺度實(shí)現(xiàn)了界面水分解過程的磁共振探測(cè)。
 

　　該研究成果以《基于量子傳感器的納米尺度界面水分解探測(cè)》(“Probing interfacial water dissociation at the nanoscale with a quantum sensor”)為題，于2025年11月10日在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)在線發(fā)表，并入選編輯推薦論文(Editors' Suggestion)。美國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理》雜志(Physics)以《量子顯微鏡揭示水的分解過程》(“A Quantum Microscope Reveals Water Breaking Apart”)為題配發(fā)“觀點(diǎn)”文章(Viewpoint)，評(píng)價(jià)該工作是“兩個(gè)學(xué)科領(lǐng)域交叉融合催生的重大科學(xué)進(jìn)展”。
 

　　圖1 量子顯微鏡技術(shù)(NV-SPM)的示意圖，由金剛石色心(NV)量子傳感技術(shù)與掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)交叉融合而成。該技術(shù)可在固-液界面以納米精度控制水分解并探測(cè)分解過程中的基本步驟
 

　　如何從微觀層面測(cè)量界面現(xiàn)象，是《科學(xué)》雜志于2021年提出的125個(gè)科學(xué)難題之一，其中對(duì)固-液界面的高分辨探測(cè)，更是一個(gè)核心挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有技術(shù)(如紅外、拉曼等振動(dòng)光譜)主要依賴分子的“化學(xué)指紋”進(jìn)行解析，然而其局限在于振動(dòng)譜難以直接探測(cè)分子結(jié)構(gòu)，且無(wú)法捕捉未配對(duì)電子信號(hào)。因此，發(fā)展一種能直接探測(cè)物質(zhì)基本單元(電子與原子核)的高靈敏度方法，將有望突破現(xiàn)有瓶頸，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)解析開辟新途徑。
 

　　江穎團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于自主研發(fā)尖端SPM技術(shù)，近年來將金剛石氮-空位色心(NV)量子傳感技術(shù)和qPlus-SPM技術(shù)有機(jī)融合，成功研制了一臺(tái)掃描量子傳感顯微系統(tǒng)NV-SPM【Rev. Sci. Instrum. 95, 053707 (2024)】，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于淺層NV的納米級(jí)電場(chǎng)成像，并將其靈敏度推進(jìn)至接近單個(gè)質(zhì)子極限【Nat. Commun. 12, 2457 (2021)；Nat. Phys. 18, 1317 (2022)】。
 

　　通過結(jié)合NV的納米尺度磁共振測(cè)量和SPM的高精度針尖操縱，江穎等創(chuàng)新性地發(fā)展出一種針對(duì)固-液界面的高分辨表征方法(圖1)。研究團(tuán)隊(duì)首先利用SPM針尖將電子注入到界面水中形成水合電子(eˉ(aq))，然后用NV的電子-電子雙共振譜(DEER)測(cè)量出eˉ(aq)的超精細(xì)相互作用(圖2a和圖2b)。實(shí)驗(yàn)表明，eˉ(aq)可進(jìn)一步誘導(dǎo)水分子(H?O)分解產(chǎn)生氫氧根(OHˉ)(圖2c)。利用NV的核磁共振關(guān)聯(lián)譜，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)固-液界面上OHˉ和H?O的擴(kuò)散速率比例約為2.3，該比例數(shù)值與體相水基本一致(圖2d)。
 

　　該工作發(fā)展的技術(shù)解決了固-液界面探測(cè)的核心瓶頸，為研究固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程提供了全新途徑，有望推動(dòng)多學(xué)科領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。
 

　　圖2 (a)利用NV的電子-電子雙共振譜(DEER)測(cè)量水合電子與周圍質(zhì)子的超精細(xì)相互作用。(b)水合電子超精細(xì)相互作用的DFT計(jì)算結(jié)果。(c)和(d)利用NV的核磁共振關(guān)聯(lián)譜探測(cè)水解產(chǎn)物OHˉ的生成，并測(cè)量H?O和OHˉ的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)
 

　　江穎、北京大學(xué)助理研究員邊珂和孟勝是文章的共同通訊作者；北京大學(xué)鄭聞天博士后(現(xiàn)為萊斯大學(xué)Smalley-Curl博士后研究員)、邊珂和中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員徐紀(jì)玉是文章的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部、新基石科學(xué)基金會(huì)、北京市教育委員會(huì)和北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。