物理学院江颖课题组开发出探测固-液界面的量子显微镜技术
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近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔轻元素量子材料交叉平台江颖教授团队与中国科学院物理研究所孟胜研究员团队合作，通过扫描探针显微学（SPM）与量子传感领域的交叉融合创新，发展出一种对固-液界面极为敏感的量子显微镜技术，首次在纳米尺度实现了界面水分解过程的磁共振探测。
该研究成果以《基于量子传感器的纳米尺度界面水分解探测》（“Probing interfacial water dissociation at the nanoscale with a quantum sensor”）为题，于2025年11月10日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表，并入选编辑推荐论文（Editors' Suggestion）。美国物理学会《物理》杂志（Physics）以《量子显微镜揭示水的分解过程》（“A Quantum Microscope Reveals Water Breaking Apart”）为题配发“观点”文章（Viewpoint），评价该工作是“两个学科领域交叉融合催生的重大科学进展”。
图1 量子显微镜技术（NV-SPM）的示意图，由金刚石色心（NV）量子传感技术与扫描探针显微镜（SPM）技术交叉融合而成。该技术可在固-液界面以纳米精度控制水分解并探测分解过程中的基本步骤
如何从微观层面测量界面现象，是《科学》杂志于2021年提出的125个科学难题之一，其中对固-液界面的高分辨探测，更是一个核心挑战。现有技术（如红外、拉曼等振动光谱）主要依赖分子的“化学指纹”进行解析，然而其局限在于振动谱难以直接探测分子结构，且无法捕捉未配对电子信号。因此，发展一种能直接探测物质基本单元（电子与原子核）的高灵敏度方法，将有望突破现有瓶颈，为物质结构解析开辟新途径。
江颖团队长期致力于自主研发尖端SPM技术，近年来将金刚石氮-空位色心（NV）量子传感技术和qPlus-SPM技术有机融合，成功研制了一台扫描量子传感显微系统NV-SPM【Rev. Sci. Instrum. 95, 053707 (2024)】，国际上首次实现了基于浅层NV的纳米级电场成像，并将其灵敏度推进至接近单个质子极限【Nat. Commun. 12, 2457 (2021)；Nat. Phys. 18, 1317 (2022)】。
通过结合NV的纳米尺度磁共振测量和SPM的高精度针尖操纵，江颖等创新性地发展出一种针对固-液界面的高分辨表征方法（图1）。研究团队首先利用SPM针尖将电子注入到界面水中形成水合电子（eˉ(aq)），然后用NV的电子-电子双共振谱（DEER）测量出eˉ(aq)的超精细相互作用（图2a和图2b）。实验表明，eˉ(aq)可进一步诱导水分子（H₂O）分解产生氢氧根（OHˉ）（图2c）。利用NV的核磁共振关联谱，研究团队发现固-液界面上OHˉ和H₂O的扩散速率比例约为2.3，该比例数值与体相水基本一致（图2d）。
该工作发展的技术解决了固-液界面探测的核心瓶颈，为研究固-液界面的微观结构和动力学过程提供了全新途径，有望推动多学科领域的跨越式发展。
图2 （a）利用NV的电子-电子双共振谱（DEER）测量水合电子与周围质子的超精细相互作用。（b）水合电子超精细相互作用的DFT计算结果。（c）和（d）利用NV的核磁共振关联谱探测水解产物OHˉ的生成，并测量H₂O和OHˉ的扩散动力学
江颖、北京大学助理研究员边珂和孟胜是文章的共同通讯作者；北京大学郑闻天博士后（现为莱斯大学Smalley-Curl博士后研究员）、边珂和中国科学院物理研究所副研究员徐纪玉是文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科学技术部、新基石科学基金会、北京市教育委员会和北京市科学技术委员会等的支持。
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