物理學院江穎課題組開發出探測固-液界面的量子顯微鏡技術
近日，北京大學物理學院量子材料科學中心、北京懷柔輕元素量子材料交叉平臺江穎教授團隊與中國科學院物理研究所孟勝研究員團隊合作，通過掃描探針顯微學（SPM）與量子傳感領域的交叉融合創新，發展出一種對固-液界面極為敏感的量子顯微鏡技術，首次在納米尺度實現了界面水分解過程的磁共振探測。
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》（“Probing interfacial water dissociation at the nanoscale with a quantum sensor”）為題，于2025年11月10日在《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發表，并入選編輯推薦論文（Editors' Suggestion）。美國物理學會《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“觀點”文章（Viewpoint），評價該工作是“兩個學科領域交叉融合催生的重大科學進展”。
圖1 量子顯微鏡技術（NV-SPM）的示意圖，由金剛石色心（NV）量子傳感技術與掃描探針顯微鏡（SPM）技術交叉融合而成。該技術可在固-液界面以納米精度控制水分解并探測分解過程中的基本步驟
如何從微觀層面測量界面現象，是《科學》雜志于2021年提出的125個科學難題之一，其中對固-液界面的高分辨探測，更是一個核心挑戰。現有技術（如紅外、拉曼等振動光譜）主要依賴分子的“化學指紋”進行解析，然而其局限在于振動譜難以直接探測分子結構，且無法捕捉未配對電子信號。因此，發展一種能直接探測物質基本單元（電子與原子核）的高靈敏度方法，將有望突破現有瓶頸，為物質結構解析開辟新途徑。
江穎團隊長期致力于自主研發尖端SPM技術，近年來將金剛石氮-空位色心（NV）量子傳感技術和qPlus-SPM技術有機融合，成功研制了一臺掃描量子傳感顯微系統NV-SPM【Rev. Sci. Instrum. 95, 053707 (2024)】，國際上首次實現了基于淺層NV的納米級電場成像，并將其靈敏度推進至接近單個質子極限【Nat. Commun. 12, 2457 (2021)；Nat. Phys. 18, 1317 (2022)】。
通過結合NV的納米尺度磁共振測量和SPM的高精度針尖操縱，江穎等創新性地發展出一種針對固-液界面的高分辨表征方法（圖1）。研究團隊首先利用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）測量出eˉ(aq)的超精細相互作用（圖2a和圖2b）。實驗表明，eˉ(aq)可進一步誘導水分子（H?O）分解產生氫氧根（OHˉ）（圖2c）。利用NV的核磁共振關聯譜，研究團隊發現固-液界面上OHˉ和H?O的擴散速率比例約為2.3，該比例數值與體相水基本一致（圖2d）。
該工作發展的技術解決了固-液界面探測的核心瓶頸，為研究固-液界面的微觀結構和動力學過程提供了全新途徑，有望推動多學科領域的跨越式發展。
圖2 （a）利用NV的電子-電子雙共振譜（DEER）測量水合電子與周圍質子的超精細相互作用。（b）水合電子超精細相互作用的DFT計算結果。（c）和（d）利用NV的核磁共振關聯譜探測水解產物OHˉ的生成，并測量H?O和OHˉ的擴散動力學
江穎、北京大學助理研究員邊珂和孟勝是文章的共同通訊作者；北京大學鄭聞天博士后（現為萊斯大學Smalley-Curl博士后研究員）、邊珂和中國科學院物理研究所副研究員徐紀玉是文章的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科學技術部、新基石科學基金會、北京市教育委員會和北京市科學技術委員會等的支持。
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