基于信息技术的原子尺度水科学研究
江颖 马润泽 彭金波
（北京大学物理学院量子材料科学中心；2.量子物质协同创新中心）
摘要
水-固界面在很多科学领域和技术过程中扮演着重要的角色，在原子/分子水平上理解固体表面水的氢键结构和相关动力学过程是水科学领域的关键科学问题之一。在表面科学表征的技术中，扫描探针技术由于具有原子级的空间分辨能力，成为研究水-固界面研究的强有力工具。近些年本课题组利用扫描探针技术的原子级别空间分辨能力，结合自动化控制和信息化成像技术，成功对水-固界面上的水分子体系进行了原子级分辨的成像和谱学表征研究，并结合以信息技术、超级计算机技术为基础的模拟计算，在包括氢键网络构型的高分辨表征、质子转移动力学、核量子效应及水合离子等在内的多个研究领域取得了重要进展。
关键词
水-固界面；扫描隧道显微镜；原子力显微镜；信息化成像；氢键网络
Abstract
Water-solid interfaces play important roles in a wide range of scientific fields and technique process and it is a crucial scientific issue to understand the hydrogen-bonding network and relevant dynamics of interfacial water at molecular or sub-molecular level.Of the many surface science techniques,scanning probe microscopy has become one of the most powerful tools to study the water-solid interfaces due to its capability of imaging with atomic resolution.In recent years,our research group has achieved atomic-scale imaging and spectroscopic characterization of water-solid interfaces utilizing the atomic resolution capability of scanning probe microscopy and the imaging techniques of e-Science.Further combined with simulation and calculations based on supercomputer techniques and e-Science,our group has achieved important progress in the microscopic structure of the hydrogen-bonding network of water,the dynamics of proton transfer,nuclear quantum effect on the strength of hydrogen bond and water-ion interaction.
Keywords
Water-solid Interfaces;Scanning Tunneling Microscope;Atomic Force Microscope;Informationized Imaging;Hydrogen-bonding Network
1 引言
水是地球上最常见和最重要的物质之一，在生命体中的物理化学过程及日常生产生活中都扮演着重要的角色。例如，生命体中的新陈代谢、体温调节、物质输送等过程；日常生活中的降雨、结霜、下雪等天气和气候变化；工业生产中的洗涤、润滑、腐蚀、催化等用途。作为最简单的化合物分子之一，看似分子结构简单的水却具有很多独特的物理和化学性质，如很强的溶解能力、结冰时热缩冷胀。这些奇特性质与水体系中的氢键网络等微观结构密切相关。正由于氢键及氢键网络结构的复杂性，至今水仍然是自然界最神秘的物质之一。在庆祝《科学》创刊125周年之际，该刊公布了125个最具挑战性的科学问题，其中就包括：“水的结构如何？”因此，在原子尺度上对水体系进行研究，能够进一步拓展对于水分子体系中的氢键和氢键网络结构的认知，对更好地理解和应用水的特殊性质具有极为重要的意义。
从原子尺度上对水进行研究，最常用到的体系就是水-固界面。水-固界面是很多物理和化学过程发生的重要场所，如溶解、润滑、腐蚀、电化学和异质催化等[1-4]。这些复杂的物理化学过程不仅涉及界面水与水相互作用，还与界面水和固体表面之间相互作用密切相关，这两种相互作用的竞争结果，决定了水-固界面的很多独特性质，如质子转移动力学、界面水的氢键网络构型、受限水的反常输运、水分子分解等。
界面水的常规研究方法主要是谱学表征手段，包括核磁共振[5]、氦原子散射[6，7]、X射线衍射[8]、低能电子衍射[9]、红外吸收谱[10]等。这些技术具有空间分辨率较低（通常几百纳米到微米的量级）的局限性，得到的是很多界面水分子的平均效应。然而，表面结构通常具有纳米甚至原子尺度的不均匀性，因此常规谱学表征手段对界面水结构的分析往往很困难，一般需要结合复杂的理论计算和模拟。扫描隧道显微镜和原子力显微镜由于具有原子级的空间分辨率，被广泛应用于表/界面上水体系氢键构型的实空间探测，已取得了许多重要的进展，大大加深了人们对界面水的认识。然而，由于氢原子质量小、尺寸小，人们对水分子的成像研究长期局限在单分子尺度，一直无法对水分子进行亚分子级的空间成像，获取水分子内部的信息。
近几年，本课题组利用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），结合自动化控制和信息化成像技术首次获得了水分子体系的亚分子级分辨成像，成功实现了对界面水中氢原子的实空间定位。同时，结合以信息化技术和超级计算机技术为基础的第一性原理计算，从实验和理论两个角度对水分子体系的性质进行了细致的研究，在包括氢键网络构型的高分辨表征、质子转移动力学、核量子效应对氢键强度的影响以及原子尺度上水与离子相互作用等在内的多项研究领域取得了重要的进展。本文将以本课题组近年来在界面水研究中的相关工作为例，总结信息化技术在原子尺度上水科学研究中起到的支持作用，以期引起更多研究者对信息化技术的重视，为信息化技术在表面科学、高分辨成像和识别、大尺度体系模拟计算等领域的进一步应用和发展做铺垫。
2 界面水的亚分子级成像技术
2.1 可视化成像和自动化控制
利用STM和AFM技术对界面水进行研究，需要对大量的数据点进行可视化成像处理，从而产生可供科研者分析研究的图像数据。这些传统的可视化成像技术可以认为是信息化在界面体系研究中的最早应用，也早已经在成熟的商业化控制软件中实现。然而，随着科学研究日新月异的变化，商业化控制软件的基本功能已经无法完全满足科研工作的需求，以LabVIEW语言为代表的编程语言对接商业化软件，成为商业化软件的重要补充，实现了定制化的信息化成像和自动控制，为界面水体系的研究提供了便利。
本课题组以nanonis控制软件为基础，使用LabVIEW语言编写了许多如图1所示的程序，成功实现了将dI/dV、dI/dZ、LCPD等诸多信号与原有的STM电流信号、AFM频率移动信号共同处理成像的功能，为界面水的研究提供了直观、有效的图像数据；也实现了一定的自动化数据采集功能，如图1所示的变高度力谱采集，降低了重复操作中人为错误的可能，极大地提高了科研效率。
图1 以LabVIEW语言编写的信息化自动控制程序，用于变高度力谱采集
2.2 亚分子级的轨道成像
对水分子体系进行亚分子成像，首先实现的是利用STM技术对水分子的轨道成像。根据STM的成像原理，STM探测的电流信号与针尖和样品的局域电子态密度直接相关，因此STM可以对分子的轨道进行选择性成像[11]。然而，经过很长时间的努力，人们仍然很难实现对水分子进行亚分子级轨道成像[12-14]。所得到的单个水分子的STM图像只是一个亮的突起，没有内部分辨。实验上长期无法对水分子的轨道进行成像，主要有以下两个原因：第一，之前大部分STM实验都使用了金属衬底，金属表面具有很强的电子态密度分布，而且金属和水分子之间耦合作用很强，STM探测中水分子的轨道信息会被金属的电子态密度信息淹没；第二，水分子属于良好的绝缘体，最高占据轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）距离费米面都很远，因此需要在较大偏压下通过共振隧穿成像，这很容易激发水分子运动甚至分解而无法成像。
为了解决上述问题，本课题组[15]利用双层NaCl绝缘薄膜使水分子和金属衬底之间电子态去耦合，同时利用针尖和水分子之间的耦合，使水分子的前沿轨道移动到费米能附近，从而实现了在小偏压下对水分子的HOMO和LUMO的亚分子级高分辨成像[见图2（a，b）]。实验中，本课题组采用了LabVIEW编程的方法，实现了逐点反馈方式的dI/dV数据采集，根据图像中每个点的电流值大小调节针尖与样品之间的高度，在保证不破坏分子的前提下，提高了分子轨道信息的信噪比。测量的结果具体表现为：正偏压下，水分子呈现等大的双瓣结构[见图2（c）]，对应于直立吸附结构的HOMO；负偏压下，双瓣结构消失，STM中呈现上尖下宽的单瓣结构[见图2（d）]，对应于水分子的LUMO。由于水分子轨道与水分子的几何结构一一对应，因此，基于亚分子级的轨道成像技术，可以直接识别单个水分子的吸附构型、空间取向[见图2（e，f）]，以及水分子四聚体内部的氢键方向性[见图2（g～j）]。
图2 NaCl（001）表面上单个水分子及水分子四聚体的STM亚分子级的轨道成像
2.3 亚分子级的原子力成像
对水分子体系进行亚分子级成像，除STM技术外，还可以使用AFM技术。根据前文所述，STM的轨道成像由于电子轨道的复杂性，必须通过理论计算已知水分子轨道和水分子几何结构的对应关系，才能对氢原子的位置进行准确定位；而相比之下，AFM技术的成像原理更为简单和直接。考虑到水分子具有很强的极性，氧原子和氢原子分别带有显著的负电荷和正电荷。利用带电的AFM针尖，可以通过探测针尖与水分子之间的静电相互作用，将不同电性的氧原子和氢原子在实空间区分开来，从而达到探测氢核自由度的目的。但这种方法最大的问题是，静电作用力一般是长程作用力，对针尖高度不敏感，很难得到很高的空间分辨率。解决这一问题的一个途径是探测高阶的静电作用力，越高阶的静电力对针尖高度的依赖越灵敏，但是作用力强度也越小。
本课题组[16]利用基于qPlus力传感器的非接触型AFM，通过在针尖上吸附一氧化碳（CO），对针尖进行化学修饰，成功实现了对氢核的空间成像（见图3）。当用CO修饰的针尖对水分子四聚体进行远距离AFM成像时，出现了明显的内部特征[见图3 （c，e）]，这些特征与水分子四聚体的静电势[见图3（b，d）]分布非常相似。通过与理论模拟的对比，可以发现这种远距离的高分辨成像起源于类似电四极子的CO针尖[见图3（a）]和强极性水分子之间的短程的高阶静电力。基于这种高阶静电力成像，可以清晰地分辨水分子中氧原子和氢原子的位置[见图3（f）]。同时，本课题组还使用了如图1所示的变高度力谱采集程序，对成像高度的原子力进行定量表征，进一步证实了CO针尖和水分子之间的相互作用力非常微弱。由于CO针尖和水分子之间的高阶静电力相当弱，可以在没有任何扰动的情况下对很多弱键合的水分子团簇及其亚稳态进行成像，这为界面水体系的研究提供了一个强有力的表征手段。
图3 水分子四聚体和二聚体的亚分子级原子力成像
这种非侵扰式静电力成像技术打破了长期以来用扫描探针技术研究表面水的局限，为在原子尺度上研究表面水或者冰、离子水合物及生物水的内秉结构提供了可能性。用CO针尖得到的亚分子级的高分辨AFM图像不仅提供了静电力的空间信息，而且能够确定氢键结构的拓扑细节包括氢原子核的位置，这对理解水分子的氢键相互作用和动力学非常关键。
3 界面水的亚分子级分辨研究
3.1 水的氢键网络中的质子转移动力学
水中的质子是最轻的原子核，在热、局域电场等扰动下，它可以摆脱氧原子的共价键束缚发生转移，这使得水的结构变得更加复杂多变。质子沿着氢键转移在很多物理、化学和生物过程中扮演着重要的角色[17，18]。质子动力学容易受到量子隧穿效应的影响，而且经常同时涉及多个氢键，从而导致相互关联的多体隧穿现象，然而一直缺乏氢核多体协同隧穿的直接实验证据。此外，由于需要质子间的相位相关性，质子的多体关联隧穿对原子尺度上的环境耦合非常敏感。
为了给上述现象提供直接的实验证据，本课题组[19]利用STM直接观察了水分子四聚体内部四个质子协同隧穿现象。为了诱导水分子四聚体中的质子转移，将STM针尖用单个Cl-离子功能化（得到Cl-tip），然后将Cl-tip置于水分子四聚体略偏离中心的地方，降低Cl-tip的高度，可以观察到隧道电流在高低两个平台来回跳变（见图4）。抬起Cl-tip则水分子四聚体停留在末态，通过亚分子级的轨道成像技术，可以判断这两种电流状态分别对应水分子四聚体的两种不同的手性和氢键取向。通过研究手性转换速率与电压、针尖高度的依赖关系，以及DFT计算，可以推断这种手性转换来源于水分子四聚体中的质子的协同隧穿转移。
图4 水分子四聚体手性转换
为了进一步证实这种质子转移的量子特性，本课题组进行了同位素替换实验。将水分子四聚体中的一个H2O分子换成D2O分子，通过以LabVIEW语言编写的数据自动化采集程序采集大量的电流跳变曲线，并通过机器学习识别有效数据和其中主要特征，统计发现5K下四聚体的手性转换速率大大降低，这表明水分子手性的切换确实是质子协同隧穿的结果。该工作表明，多体关联量子行为在水的氢键动力学过程中扮演着不可忽视的角色。实验中观察到的质子协同隧穿，远比单粒子隧穿容易发生，很有可能广泛存在于氢键体系，这对于理解冰和有机铁电材料的相变过程以及生物体系的信号传递过程有重要的意义。
3.2 核量子效应对氢键强度的影响
水的氢键相互作用之所以比较复杂，一个重要的原因是氢核的量子效应。氢核的量子涨落会对氢键网络体系的结构、动力学甚至宏观性质等产生重要的影响[20-22]。氢核的非简谐量子涨落会改变水分子OH键的长度和氢键角度，从而改变氢键的键能和构型。然而，从实验上精确、定量地研究氢核量子效应对氢键相互作用的影响仍然具有很大的挑战性。这主要是因为传统谱学表征手段的系综平均效应与核量子效应的局域性之间的矛盾。空间上的不均一性及氢键之间的耦合作用会导致谱学信号的展宽，使得传统谱学表征手段中的氢核量子效应被其他信号湮没。
为了研究局域空间内的振动能量变化，必须使用具有空间分辨的振动谱学技术。基于STM的非弹性隧道谱（Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy，IETS）技术就具有这样的特性，它可以探测单个分子的振动，而且具备亚埃量级的空间分辨和单键振动测量的灵敏度。然而，传统的IETS信号通常非常弱，这是因为非弹性散射过程中电子振动耦合对于弹性散射过程只是很小的微扰，因此仅导致很小的电导变化（＜10%）。尤其对于闭壳层的水分子来说，其前沿轨道离费米面很远，STM的低能隧穿电子很难与水分子发生相互作用，非弹性隧穿的概率异常低，所以很难用传统的IETS技术探测水分子的振动信号。有理论表明，如果能将分子的前沿轨道通过某种方式（如gating）调控到费米能级附近，这时候隧穿电子与分子的振动将发生强烈的耦合，非弹性电子隧穿过程将有可能被共振增强，从而大大提高IETS的信噪比。基于此，本课题组[23]发展了针尖增强的IETS技术，利用单个Cl原子修饰针尖尖端[见图5（a）]，通过控制针尖与水分子的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布[见图5（b）]，从而实现了非弹性隧穿过程的共振增强，获得了单个水分子的高分辨振动谱[见图5 （c）]。当针尖距离水分子比较远时，水分子的dI/dV和d2I/dV2谱线（中曲线）与NaCl衬底信号（下曲线）完全一致，并没有出现任何水分子特征振动信号。当Cl针尖靠近水分子0.8 Å时，非弹性隧穿过程被共振增强，水分子的dI/dV谱线（上曲线）中出现明显的台阶，在相应的d2I/dV2谱线中，这些台阶信号会被放大而呈现明显的峰和谷，并且相对于零偏压点对称，这是IETS的典型特征。经过与密度泛函理论（DFT）计算结果对比，发现这些特征峰分别对应于水分子的旋转（R）、弯曲（B）及拉伸（S）振动模式。
利用针尖增强的非弹性隧道谱技术，可以得到单个水分子的高分辨振动谱，从而区分形成氢键和悬挂的OD[见图5（d，e）]。可控的同位素替换实验[见图5（f，g）]表明，核量子效应会弱化较弱氢键，强化较强氢键。令人惊奇的是，氢键的量子成分可以高达14%，甚至大于室温下的热能，因此足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步分析表明，氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键，强化强氢键；然而，当氢键与表面上的带电离子发生强耦合时，这个趋势又会反转。此外，对比不同的水分子数据，核量子效应反转的行为依旧可见，但是反转点各不相同，表明核量子效应非常依赖局域环境，揭示出在单键尺度上探测氢键强度对于准确提取核量子效应的影响至关重要，同时也解释了长期以来传统谱学手段不能获得氢键量子成分的原因。本研究不仅加深了人们对氢核的量子特性的理解，而且也为从单键水平上研究氢键网络体系开辟了一条新的路径。
本研究从原子尺度上验证了早在20世纪50年代人们就观察发现的Ubbelohde效应[24]，即在氢键系统中，如果把H替换成D，分子间的相互作用（氢键）强弱可以发生改变。其宏观体现上即为同位素效应，如重水D2O的熔点（沸点）相对于H2O高3.82K（1.45K），而重水D2O的三相点相对于H2O低3.25 K。原子尺度上水的核量子效应研究也为理解水的新奇物性和同位素效应提供了全新的思路。
3.3 离子水合物的微观结构和输运动力学中的幻数效应
离子水合物是水-固界面上界面水存在的一种常见结构。在离子水合物结构中，由于离子与水之间的相互作用，离子不仅会影响水的氢键网络构型，而且会影响水分子的振动、转动、扩散、质子转移等各种动力学性质。反过来，水分子在离子周围形成水合壳层，会对离子的电场产生屏蔽，并影响离子的动力学性质，如离子的输运和传导。水与离子的相互作用在很多自然过程和技术领域中扮演着极其重要的角色，如盐的溶解、生物离子通道中的离子传输、金属腐蚀、气溶胶的形核生长、海水淡化等[25-29]。在原子尺度上研究水与离子的相互作用对于理解这些过程具有重要意义。下面将介绍本课题组利用STM和AFM在原子尺度下揭示离子水合物的微观结构及其在NaCl表面输运的动力学幻数现象。
离子水合作用在很多应用领域和自然过程中扮演着重要的角色，然而离子水合物的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末，人们就意识到离子水合的存在并开始了系统的研究。虽然经过了100多年的努力，关于离子水合的诸多问题（如离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等）至今仍没有定论。尤其是对于界面和受限体系，由于表面的不均匀性和晶格的多样性，水分子、离子和表面三者之间的相互作用使得上述问题更加复杂。实验上，关键在于如何实现单原子、单分子尺度的表征，并能对其结构和动力学进行原子级调控。前面已经提到，传统的谱学技术空间分辨能力较差，只能得到平均效应，实验数据的归因异常困难，因此受到很大的限制。分子模拟虽然成为在原子尺度上研究水合性质的强大工具，但是结果的可靠性严重依赖于很多因素，如所采用的相互作用势、对长程相互作用合理的处置，以及模拟的时间和尺度等。因此，仍然缺乏一个普遍的物理图像来描述水合作用对离子在界面上输运的影响，而且离子水合物的原子结构和输运行为之间的关联仍然有待建立。
图5 针尖增强非弹性隧道谱示意图以及核量子效应对氢键强度的影响
本课题组[30]使用STM和AFM的联合系统，通过原子分子操纵技术，在NaCl表面可控地制备出钠离子水合物团簇（包含1～5个水分子），并且结合STM、AFM、DFT计算及AFM模拟，在实空间精确地确定了NaCl表面的各种钠离子水合物的原子构型（见图6）。值得指出的是，前面发展的非侵扰的AFM成像技术扮演着重要的角色。一方面，它可以给出比STM图像更高分辨的细节信息。例如，AFM图像中最暗的位点来源于带正电的钠离子，其最近邻的亮点来源于带负电的氧原子（图6中白色箭头所示），而弧线所指示的暗环来源于水分子中的氢原子。因此，这种亚分子级的成像技术能极大地帮助确定离子水合物的构型。另一方面，它可以有效地避免针尖对离子水合物的扰动。离子水合物不是特别稳定，甚至存在一些亚稳态结构，近距离的成像很容易扰动离子水合物。
图6 钠离子水合物的结构及对应的高分辨STM/AFM图像
为了进一步在低温下研究离子水合物在NaCl表面上的动力学输运性质，可以利用非弹性电子隧穿技术，注入“热电子”激发单个离子水合物在NaCl表面上的扩散[见图7（a）]。对比各个离子水合物扩散的难易程度，可以发现一种有趣的幻数效应[见图7（b）]：包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力，其迁移率比其他水合物高1～2个量级，甚至远高于体相离子的迁移率。为了进一步印证实验观测到的现象，需要理论计算的支持。由于离子水合物体系中的原子数目多，模拟的时间尺度大，需要大量的计算资源支持，利用超级计算机“天河二号”进行的DFT和MD计算为研究结果提供了重要的证据。DFT计算证明，这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度。具体地说，包含一个、两个、四个、五个水分子的离子水合物与NaCl衬底的四方对称性晶格更加匹配，因此在衬底上束缚很紧，不容易运动；而含有三个水分子的离子水合物，却很难与四方对称性的NaCl衬底匹配，因此会在表面形成很多亚稳态结构，再加上三个水分子很容易围绕钠离子集体旋转，使得离子水合物的扩散势垒大大降低[仅～80meV，见图7（c）]，因此迁移率显著提高。由于生活中的离子输运过程大多数发生在室温下，为了研究这种幻数效应是否在室温下依旧存在，本课题组进一步进行了分子动力学模拟。结果表明，此幻数效应在很大温度范围内（包括室温）存在[见图7（d）]。此外，值得一提的是，这种动力学幻数效应具有一定的普适性，适用于相当一部分盐离子，尽管“幻数”值随体系的不同而存在差异。
图7 钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应
长期以来，连续介质模型被广泛用来理解水溶液中的离子输运过程，而忽略了离子、水和界面相互作用的微观细节。本课题组进行的研究工作建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联，刷新了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。研究结果表明，有可能通过改变界面晶格的对称性和周期性来控制受限环境如纳米流体中离子的输运，从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的。这对盐溶解、离子电池、电化学、防腐蚀、海水淡化等很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义。本课题组发展的实验技术开辟了在原子尺度上研究离子水合作用的新道路，有望应用到更多的水合物体系，如蛋白质的水合作用。
4 总结与展望
本课题组在之前研究的基础上，结合超级计算机支持的模拟和计算信息化技术，进一步将扫描探针技术引入界面水的研究中，大大加深了人们对于界面水的结构和性质的认识，取得了一系列重要的进展。其中利用信息化成像技术，使得对同一区域进行多种数据/信号的获取和实时处理成为可能，通过基于信息技术的自动化控制，也极大地提高了实验操作的准确性和工作效率。这些技术的支持，将扫描探针技术的空间分辨率从单个水分子水平逐渐推向了亚分子级水平，使得在实空间和能量空间获取氢核的自由度成为可能，进一步推动了表面水的微观研究；在实际的研究体系中，详细研究了水分子团簇中质子的协同隧穿现象、核量子效应对氢键强度的影响、离子水合物的结构和动力学，澄清了若干水科学领域长期争论的问题等，也表明信息化技术在表面科学、高分辨成像和识别、大尺度体系模拟计算等领域具有广泛的应用前景。在后续的工作中，本课题组将加强LabVIEW程序接入能力，进一步提高可视化成像的自动化程度，提高图像识别的精确度和操作效率，并结合一定的机器学习算法，简化实验操作步骤，降低STM和AFM技术的门槛，让更多科研工作者能更容易地使用STM和AFM技术开展界面水科学及表面科学研究。
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作者简介
江颖，北京大学物理学院量子材料科学中心博雅特聘教授，美国物理学会会士（APS Fellow），国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才。主要从事凝聚态物理和物理化学研究，发表论文50余篇，其中包括《科学》2篇、《自然》4篇和《自然》子刊8篇。担任《化学物理学报》（Journal of Chemical Physics）、《化学物理》（Chemical Physics）、《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）等国际杂志编委。获英国皇家物理学会IOP-JPhys Emerging Leaders、世界经济论坛全球青年领袖（Young Global Leaders）、陈嘉庚青年科学奖、中国青年科技奖。研究成果曾两次入选科技部评选的中国科学十大进展和两院院士评选的中国十大科技进展。E-mail：yjiang@pku.edu.cn。
* 为本文通讯作者。