侯建国儿子 侯建国院士领衔探索单分子尺度的量子调控

目前,全球信息技术正跨入以量子效应为特征的“后摩尔”时代。单分子尺度体系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物质载体的最佳选择之一。

十余年来,中科院院士、中国科学技术大学教授侯建国领衔的“单分子尺度的量子调控研究集体”对单分子尺度体系进行不断的探索,取得了一批重要创新成果,并由此获得2014年度中科院杰出科技成就奖。

领先国际水平

单分子尺度量子调控研究是国家量子调控科学领域的重大科学问题和需求。近年来,该研究集体进一步发展和提升了单分子尺度量子态的探测、操纵及调控技术,率先实现了国际上最高水平的亚纳米分辨的单分子拉曼成像。

“2013年,我们在单分子化学识别方面取得重大突破,实现了亚纳米分辨的单分子拉曼成像。该工作在《自然》杂志上发表后,立即引起国际科技界的广泛关注。”中国科学技术大学教授杨金龙在接受《中国科学报》记者采访时表示。

“我们通过技术上的创新和概念上的突破,将非线性效应融入到常规的针尖增强拉曼散射过程中,从而大大提高了拉曼信号的探测灵敏度和空间分辨能力,将光学光谱探测推进到前所未有的亚分子亚纳米水平,使单分子尺度的化学识别成为现实。”中国科学技术大学教授董振超说。

团队成员之一、中国科学技术大学教授王兵表示,尽管科学发展进程非常快,但他们在拉曼成像方面取得的成绩迄今仍保持着世界纪录。

此外,该集体还利用单分子选键化学实现了单分子磁性自旋态控制;成功设计并实现具有多重功能集成的单分子器件;利用纳腔等离激元共振实现了单分子电致发光;揭示出氧化物表面光催化分解水的微观机制等。

团队建设尤为重要

“我们能取得现在的成绩,离不开团队的长期密切合作。”杨金龙表示,单分子尺度体系的研究并不是一项短平快的研究,这个“硬骨头”需要很多人一起慢慢地“啃”。

中国科学技术大学单分子尺度的量子调控研究集体由侯建国(实验)和杨金龙(理论)领衔,一共10位成员组成。“团队合作对于整个研究获得新突破是非常重要的,协作是全方位的,贯穿了整个团队发展的始终。每一次新的发现,都是整个团队共同协作和努力的结果。”王兵说。

其中一位团队成员告诉记者,每次新加入的成员都会带来新的思路,团队建设实际上也是一个逐渐积累和发展,然后不断提升创新研究能力的过程。

在董振超看来,团队的支持对自己的科研工作非常重要。“在学术上,我们经常进行热烈的探讨和争辩,有时甚至争论得面红耳赤,大家都在试图攻击对方的弱点。待这些弱点被攻克后,课题研究自然也就往前迈进了一步。”

“我们的团队研究有两个最鲜明的特色:一个是实验和理论紧密结合,因为量子里面有很多实验现象需要理论支撑;第二个是多学科交叉,包括物理、化学、电子、光学、生物等,这样才能有效促成技术的创新集成和知识的融会贯通。”董振超说。

应用前景广阔

“目前,我们的研究尚属于基础研究阶段。”杨金龙表示,团队成员并不满足于现在的进步,会一直探究下去。

“科学的魅力在于对未知的探索。”董振超说,当你朝着某个方向努力,但作出来的结果与原来的想象和理论不一样时,就会出现新的信息,这样会反过来促进对一些现象新的理解,进而推动科研向前发展。

该团队一位研究人员表示,他们的目的是深刻理解和有效调控分子尺度上的量子行为。目前的研究离真正的应用还有一段距离,但是研究课题都是瞄准未来的能源、信息、生物等前沿领域,旨在为这些未来技术提供基本信息和科学依据。

“比如单分子拉曼成像技术,其最主要的优点是能把微观世界里相邻分子的成分和结构‘看’出来,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都有很重要的应用前景。”董振超介绍说。

“在生命科学领域,拉曼成像的应用有可能提高疾病的早期检测技术水平。比如现有技术只能检测出已达到一定量的癌细胞,如果能事先对生命体作单分子检测,就能在癌变细胞极少的情况下将其检测出来,这对癌症早期治疗意义重大。”杨金龙表示。

“在研究过程中,我们一方面从科学角度出发,另一方面也从国家整体需求出发,在进行科学探索的同时,关注国家战略方向。”王兵说。