北京
近日，。一項項沉甸甸的獎項背后，是科研工作者扎根實驗室的堅守與探索，也是教育戰(zhàn)線服務(wù)高水平科技自立自強的生動注腳。跟教育小微一起走近北京大學(xué)、南昌大學(xué)科研團隊的故事——
看穿水的“量子心”
水是地球上最常見的物質(zhì)，卻藏著物理學(xué)界最頑固的難題。它的結(jié)構(gòu)之謎、氫鍵本質(zhì)之謎，困擾了一代又一代科學(xué)家。為了揭開這些謎底，北京大學(xué)教授王恩哥、江穎帶領(lǐng)團隊，潛心研究水的全量子效應(yīng)長達25年。
團隊合影
7月8日，在國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，他們憑借“水的氫鍵強度及動力學(xué)過程全量子效應(yīng)研究”獲得2025年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
故事要從微觀世界的奇妙規(guī)則說起。電子、原子核這些小家伙，既是粒子也是波，這是量子力學(xué)的基本常識，也是習(xí)慣于用宏觀視角看問題的人們最難理解的地方。1927年，物理學(xué)家玻恩和奧本海默為了簡化計算，做了一個“聰明”的假設(shè)：原子核太重，運動太慢，干脆把它“凍”住，只考慮電子的量子行為。這就是玻恩-奧本海默近似。
這個“近似”好用極了，近100年來一直是凝聚態(tài)物理的理論基石。對此，王恩哥有個生動的比喻：“這就像拿著一枚一塊錢的硬幣遠遠地看，能根據(jù)大小猜出面值，卻看不清正反面的文字。”
而王恩哥等人研究的全量子效應(yīng)，就是給原子核“解凍”，把電子和原子核同時進行量子化處理，還要考慮兩者之間的量子耦合?！斑@就好比一個硬幣放到你手上，把兩面都翻給你看，而且告訴你這兩面是有關(guān)聯(lián)的?！蓖醵鞲缯f。
水是研究全量子效應(yīng)的最佳試驗場。水中三分之二的原子是質(zhì)量最輕的氫原子，量子效應(yīng)最為顯著。更重要的是，決定水幾乎所有反常性質(zhì)的氫鍵，百年來一直沒被真正研究清楚。
2002年，王恩哥和美國物理學(xué)家費貝爾曼有一場關(guān)于水在金屬表面能否自發(fā)分解的科學(xué)爭論。這場爭論讓他隱約感覺到，玻恩-奧本海默近似可能漏掉了什么。從那時起，他帶著學(xué)生一頭扎進了水的量子世界。
突破來自理論與實驗的雙劍合璧。理論方面，王恩哥團隊利用費曼的路徑積分，巧妙避開了希爾伯特空間復(fù)雜的高維解析求解災(zāi)難，發(fā)展出一套國際領(lǐng)先的全量子效應(yīng)計算軟件。實驗方面，江穎另辟蹊徑，原創(chuàng)了高階靜電力掃描探針顯微術(shù)，帶領(lǐng)團隊造出了世界頂尖的自主儀器。正是借助這臺“火眼金睛”的儀器，科學(xué)家在人類歷史上首次“看清”了水分子內(nèi)部飄忽不定的氫原子，并精確測量出單根氫鍵的強度。
團隊自行設(shè)計制作的qPlus型原子力傳感器；光耦合qPlus型掃描探針顯微鏡國產(chǎn)化樣機；單個水分子高階靜電力成像圖
發(fā)現(xiàn)氫原子核協(xié)同隧穿新機制
有了看清氫原子的“眼睛”和準(zhǔn)確解釋氫鍵作用的“頭腦”，一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)接踵而至。他們發(fā)現(xiàn)，看似微弱的核量子效應(yīng)，對氫鍵強度的貢獻竟高達14%，遠超室溫下的熱效應(yīng)，而且其作用規(guī)律非常簡潔：弱化弱氫鍵、強化強氫鍵。正是這個規(guī)律，使得水中氫鍵有長有短。
他們的研究不僅解開了老謎題，更發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象。團隊首次發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子在氫鍵網(wǎng)絡(luò)中可以四個協(xié)同“齊步跳”，這打破了200多年來被用于描述質(zhì)子分步傳輸?shù)母窳_特斯機制。最近，他們還將全量子效應(yīng)變成一個調(diào)控物態(tài)的“旋鈕”，在常壓下使二維冰從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，向冰的金屬化乃至超導(dǎo)邁出了重要一步。此外，離子水合物的“幻數(shù)效應(yīng)”也被他們揭示。
通過調(diào)控核量子效應(yīng)得到的二維冰新物態(tài)
關(guān)于水的全量子效應(yīng)的研究，王恩哥等人一堅持就是20多年。這些年，他們沒有去追熱點，而是埋首于水的量子世界，一根氫鍵一根氫鍵地測，一個原子一個原子地看。如今，他們建立了超越玻恩-奧本海默近似的全量子凝聚態(tài)物理研究新范式，證明了原子量子態(tài)的重要性，提出全量子物理研究的理論方法，并自主研發(fā)了尖端實驗設(shè)備，取得了世界領(lǐng)先成果。
從當(dāng)初被認(rèn)為是“做不出大文章”的冷板凳，到如今國家自然科學(xué)獎的最高領(lǐng)獎臺，王恩哥等人用25年時間證明：最尋常的水里，藏著最不尋常的科學(xué)。
尋找“缺陷”深處的光亮
7月8日，在國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，南昌大學(xué)江風(fēng)益院士團隊完成的“V缺陷三維PN結(jié)及應(yīng)用”項目，榮獲2025年度國家自然科學(xué)獎一等獎。該項目跳出國外技術(shù)路線的延長線，走出自主研發(fā)的新路徑，提出了新理論方法，實現(xiàn)了技術(shù)水平躍升，從基礎(chǔ)研究起步做到了商品化。
在發(fā)光領(lǐng)域，傳統(tǒng)LED采用二維PN結(jié)結(jié)構(gòu)，通過發(fā)光二極管的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體平面接觸，構(gòu)成一個二維平面，發(fā)光材料在這個交界面上發(fā)光，而與之共生的“V缺陷”在傳統(tǒng)觀念中被認(rèn)為是一種不好的存在。
江風(fēng)益院士團隊“V缺陷三維PN結(jié)及應(yīng)用”項目通過發(fā)現(xiàn)位錯誘導(dǎo)形成的大尺寸V缺陷三維結(jié)構(gòu)，具有增強空穴注入量子阱和提高量子阱質(zhì)量等有益作用，打破“位錯缺陷越少越好／越小越好”傳統(tǒng)認(rèn)知；提出了V缺陷三維PN結(jié)理論方法，使PN結(jié)界面由二維發(fā)展到三維，空穴注入量子阱的路徑從勢壘高的極性面轉(zhuǎn)變?yōu)閯輭镜偷陌霕O性面，使V缺陷從有“大害”到有“小害”，發(fā)展為有“大用”。由此，大幅提升黃光LED光效、氮化鎵紅光LED光效和藍綠光LED電注入效率。
作為該項目第四完成人，研究員全知覺記得，那是在2008年，當(dāng)他站在測試現(xiàn)場看到硅基氮化鎵材料上密密麻麻的微缺陷，不由自主地說了“觸目驚心”4個字，彼時的他也認(rèn)為與發(fā)光材料共生長出的缺陷是不好的東西。
而在一旁的江風(fēng)益院士卻敏銳地注意到電壓降低了。
“缺陷可能降低器件工作電壓、提升發(fā)光效率?！币粋€科學(xué)猜想由此而生，隨即團隊開啟機理研究；2014年團隊發(fā)表首篇理論論文，提出缺陷具備正向作用，2015年德國龍頭企業(yè)依據(jù)該論文布局相關(guān)專利。
這些年，團隊反向利用原生微缺陷，在六角錐狀缺陷坑內(nèi)生長半導(dǎo)體材料，讓PN結(jié)從平面二維轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw三維結(jié)構(gòu)，將黃光LED發(fā)光效率長期不足10%，提升到常規(guī)工作電流密度下可達33%、小電流密度下最高達70%，大幅提升黃光LED光效、氮化鎵紅光LED光效和藍綠光LED電注入效率。
同時，項目還開拓了純芯片LED照明技術(shù)路線（無熒光粉），產(chǎn)品批量應(yīng)用于路橋照明和氛圍照明等場景。項目顯示芯片批量應(yīng)用于特種專項裝備。項目實現(xiàn)了硅基氮化鎵LED與硅基電路晶圓級集成，研制成功微型顯示屏及首款黃光AR眼鏡。
項目在非共識路線上提出的理論方法，獲國際同行公認(rèn)，被推廣應(yīng)用到量大面廣的共識路線，提升其技術(shù)水平，推進半導(dǎo)體發(fā)光學(xué)科和半導(dǎo)體照明顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
文字 |科技日報記者陸成寬、中國教育報記者甘甜
來源 | 綜合自《科技日報》《中國教育報》，央視網(wǎng)，北京大學(xué)、南昌大學(xué)微信號，科技日報視頻號
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