侯建国院士领衔探索单分子尺度的量子调控

■张清丹，本报见习记者

目前，全球信息技术正进入以量子效应为特征的“后摩尔”时代。单分子尺度系统具有丰富的功能结构和独特的量子性质，将成为量子计算和信息技术材料载体的最佳选择之一。

十多年来，中国科学院院士、中国科技大学教授侯建国领导的“单分子尺度量子调控研究小组”不断探索单分子尺度体系，取得了一批重要创新成果，荣获2014年中国科学院杰出科技成果奖。

领先国际水平

单分子量子调控研究是国家量子调控科学领域的一个重要科学问题和需求。近年来，课题组进一步发展和完善了单分子尺度量子态的检测、操纵和控制技术，并率先实现了世界上最高水平的亚纳米分辨率单分子拉曼成像。

“2013年，我们在单分子化学识别方面取得了重大突破，实现了单分子拉曼成像的亚纳米分辨率。这项工作发表在《自然》杂志上后，立即引起了国际科技界的广泛关注中国科技大学教授杨金龙在接受《中国科学日报》采访时说。

“通过技术创新和概念突破，我们将非线性效应融入到传统的尖端增强拉曼散射过程中，从而大大提高了拉曼信号的检测灵敏度和空间分辨率，将光谱检测提升到前所未有的亚分子亚纳米水平，实现了单分子尺度的化学鉴定。”中国科技大学教授董振超说。

团队成员之一，中国科技大学教授王冰说，尽管科学发展迅速，他们在拉曼成像方面的成就至今仍保持着世界纪录。

此外，该小组还利用单分子键选择化学实现了对单分子磁自旋态的控制。成功设计并实现了多功能集成的单分子器件；利用纳米空腔等离子体共振实现单分子电致发光。揭示了水在氧化物表面光催化分解的微观机理。

团队建设尤其重要

“没有团队的长期密切合作，我们无法取得目前的成果。”杨金龙说，对单一分子尺度系统的研究不是短期的。这块“硬骨头”需要许多人一起慢慢“咀嚼”。

中国科技大学单分子量子调控研究小组由侯建国(实验)和杨金龙(理论)领导，共10人。“团队合作对于整个研究实现新突破非常重要。协作是全方位的，贯穿于整个团队的发展。每一个新发现都是整个团队共同合作和努力的结果。”王冰说道。

一名团队成员告诉记者，每个新成员都会带来新的想法。团队建设实际上是一个逐渐积累和发展，然后不断提高创新研究能力的过程。

在董振超看来，团队的支持对他的科研工作非常重要。“在学术上，我们经常进行激烈的讨论和辩论。有时我们甚至会进行面红耳赤的辩论。每个人都试图攻击对方的弱点。克服这些弱点后，这项研究自然会向前迈进一步。”

“我们团队的研究有两个最鲜明的特点:一是实验和理论的紧密结合，因为量子中有许多实验现象需要理论支持；第二个是跨学科的，包括物理、化学、电子学、光学、生物学等。只有这样，才能有效促进技术创新和知识整合。”董振超说道。

应用前景广阔

"目前，我们的研究仍处于基础研究阶段."杨金龙说，小组成员对目前的进展不满意，并将继续探索。

"科学的魅力在于对未知的探索。"董振超说，当你在某个方向上工作，但结果不同于原来的想象和理论，新的信息就会出现，这反过来又会促进对某些现象的新认识，进一步推动科学研究。

该团队的一名研究人员表示，他们的目标是深入理解并有效地在分子尺度上调控量子行为。目前的研究离实际应用还有很长的路要走，但研究课题都是针对未来的前沿领域，如能源、信息和生物学，旨在为这些未来的技术提供基础信息和科学依据。

“例如，单分子拉曼成像技术最重要的优势是能够‘看到’微观世界中相邻分子的组成和结构，这在材料科学、纳米催化、分子纳米技术、生物技术等领域可能有非常重要的应用前景。”董振超说道。

“在生命科学领域，拉曼成像的应用可能会提高疾病早期检测技术的水平。例如，现有技术只能检测达到一定数量的癌细胞。如果能够预先检测到活体的单个分子，就可以用很少的癌细胞来检测，这对癌症的早期治疗具有重要意义。”杨金龙说。

“在研究过程中，我们一方面从科学的角度出发，另一方面也从国家的整体需要出发。在进行科学探索的同时，我们也注重国家的战略方向。”王冰说道。

《中国科学日报》(第四版综合版，2015年3月19日)