王兵在实验中

■本报记者 甘晓 实习生 霍悦

自量子力学诞生以来，人们对微观世界运动规律的认识不断加深，极大地推动了现代科学技术的发展。然而，这种认识在很大程度上还带有统计性，对单量子态精密检测和相互作用的研究还较为薄弱。那么，如何对尺度小、结构多样的单量子态进行高分辨探测和识别？如何有效表征信号微弱的光、电、磁？如何调控和利用量子效应呢？

在国家自然科学基金委员会“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划的支持下，来自北京大学与中国科学技术大学的课题组，在单分子尺度的量子调控研究中取得代表性研究成果，分别为亚纳米空间分辨的分子光谱成像、水分子的亚分子级分辨成像以及单分子尺度表面催化微观机理。

2013年，中国科学技术大学董振超研究组利用拉曼光谱与扫描隧道显微镜融合的针尖增强拉曼光谱技术，在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子拉曼光谱成像。项目成果入选2013年度“中国科学十大进展”。

研究人员介绍说，通过巧妙调控纳米针尖下的纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性，等离激元共振模式与入射激光、分子光学跃迁三者之间的“双共振”频谱匹配调控，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米，不仅突破了光学成像手段中衍射极限的瓶颈，还对了解微观世界，特别是微观催化反应机制、分子纳米器件的微观构造，以及包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像，具有极其重要的科学意义和实用价值。

“水的结构是什么？”围绕《科学》杂志在创刊125周年时提出的125个最具挑战性的科学问题之一，来自北京大学的王恩哥和江颖团队，利用扫描探针显微镜得到了亚分子级分辨的水分子图像，弥补了十多年来无法对水分子内部自由度成像的遗憾。

实验技术方面，研究人员通过仔细的论证和探索，将可控的同位素替换实验与全量子化计算模拟相结合，并基于扫描隧道显微镜研发了“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨震动谱。这一成果在定量解答“氢键的量子成分有多大”问题的同时，还澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质，为理解水的微观结构和动力学研究提供了全新的思路。

近些年来，二氧化钛材料的光催化性质作为太阳能光电转化的有效途径，在光分解水制氢、人工光合作用等领域都得到广泛的关注。基于自行设计的原位光化学STM系统，中国科学技术大学王兵课题组系统研究了光解水反应的微观过程，直接观察到光生空穴可触发水分子分解反应，解决了关于“水分解的第一步反应是如何发生的”长期争论。

研究人员表示，单分子尺度表面催化微观机理项目中实验与理论的结合，一方面解决了表面小分子及反应产物识别的难题，实现了分子反应微观过程的原位观察；另一方面准确获得了反应过程中光电转换、电荷转移的微观过程，为表面催化动力学过程的研究提供了可视性的有效方法。

随着实验精度和技术控制能力的不断提高，从亚纳米空间分辨的单分子拉曼光谱成像，到亚分子级分辨的水分子图像，再到单分子尺度表面催化微观机理，单分子尺度的量子调控研究实现了更高的空间、时间、化学键或化学元素的分辨，以及化学反应的微观识别、结构和功能控制。