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的江颖教授团队，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对界面水分解过程中电子转移、化学键断裂以及水分子/质子扩散等关键步骤的直接探测。
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，在《物理评论快报》（Physical Review Letters）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），高度评价该工作是“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。来源：美国物理学会《物理》杂志“观点”文章。
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，然而其局限不仅在于振动谱难以直接转化为精确的分子结构，更在于对未配对电子信号极不敏感。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。
江颖课题组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NV的纳米级电场成像，并将浅层NV灵敏度推进至接近单个质子极限（Nat. Commun. 12, 2457 (2021)；Nat. Phys. 18, 1317 (2022)）。
在此基础上，江颖课题组进一步将NV的纳米尺度磁共振测量和SPM的高精度针尖操纵手段结合，创新性地发展出一种固-液界面敏感的高分辨表征方法（图1）。研究团队利用SPM针尖局域注入电子，在纳米尺度诱导金刚石表面水合层的水解反应，同时通过浅层NV探测界面水中的电子/核自旋信号，系统地探测了包括电子转移、化学键断裂、氢原子扩散等基本步骤。
江颖等通过SPM针尖向界面水层注入电子以生成水合电子（eˉ(aq)），同时基于NV的电子-电子双共振谱（DEER）探测到eˉ(aq)与近邻质子~28 MHz的超精细相互作用。该数值与孟胜课题组的密度泛函理论（DFT）计算结果高度吻合（图2a和图2b），意味着在亲水性金刚石表面eˉ(aq)形成了特定的水合构型。实验还发现eˉ(aq)可进一步诱导水分子（H₂O）分解产生氢氧根（OHˉ）（图2c），进一步利用NV的核磁共振关联谱观测到固-液界面上OHˉ和H₂O的扩散速率比体相水小三个数量级，且界面上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）。
该工作所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的途径，有望推动多学科领域的跨越式发展。
图2 a）单个NV的DEER测量。当产生eˉ(aq)时，在f1=1.513 GHz和f2=1.574 GHz处出现两个伴峰，来源于eˉ(aq)与周围质子的超精细相互作用。b）DFT计算得到的超精细相互作用|Azz|值分布，在28 MHz附近显示了极大值。插图：模拟所得的eˉ(aq)代表性结构之一。c）不同针尖偏压下单个NV的XY8-4关联谱数据，其衰减速度表示H₂O和OHˉ中质子的扩散速度。d）界面H₂O和OHˉ中质子扩散系数比值。来源：美国物理学会《物理评论快报》论文。
北京大学江颖教授、边珂助理研究员和中国科学院物理研究所孟胜研究员是文章的共同通讯作者；北京大学博士后郑闻天（现为莱斯大学Smalley-Curl博士后研究员）、边珂助理研究员和中国科学院物理研究所徐纪玉副研究员是文章的共同第一作者。这项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经费的支持。
论文链接：
Wentian Zheng; Ke Bian; Jiyu Xu; Xiakun Chen; Shichen Zhang; Rainer Stöhr; Andrej Denisenko; Jörg Wrachtrup; Sheng Meng; Ying Jiang; Probing interfacial water dissociation at the nanoscale with a quantum sensor, Physical Review Letters, 135, 208001 (2025).
(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gpcy-lnc2)
美国物理学会《物理》杂志“观点”文章：
Jan Balajka, A Quantum Microscope Reveals Water Breaking Apart
(https://physics.aps.org/articles/v18/180)
