来源：清华大学新闻网、中国科大新闻网 2月18日和19日，中国量子科学领域连发Nature和Science两篇论文。 清华大学交叉信息研究院段路明研究组发表论文《基于单离子的量子拉比模型中的量子相变观测》，在离子阱量子模拟领域取得重要进展；中国科大单分子科学团队发表论文《在单个化学键极限下确定表面物种的结构和化学异质性》，实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量。 清华大学交叉信息研究院段路明研究组在离子阱量子模拟领域取得重要进展，该小组利用单个囚禁离子模拟了量子拉比模型并首次在该模型中观测到量子相变现象。量子拉比模型是典型的光和物质相互作用的全量子模型，该模型历史悠久且内涵丰富。其最早的半经典版本由著名物理学家拉比于上个世纪三十年代提出，用于解释微波核磁共振现象。近年来对于其全量子版本的理论研究兴趣一直维持在很高的热度，对于该模型的实验模拟也在多个量子光学实验平台展开。作为最有潜力的量子模拟平台之一，离子阱系统的优势是和环境耦合小，参数可控度高。因此可以在维持必要的相干性的前提下，在多个参数区域模拟量子拉比模型。离子实验系统示意图量子相变一般需要多体系统在热力学极限下才能发生，而单离子量子拉比模型可以展示一种新的量子相变，其热力学极限不依赖于无穷多的离子，而是通过某些系统参数的比例趋于无穷来实现。这种新的量子相变近年来在理论上引起广泛关注，但实验中尚未观测到，因为其需要调控量子系统到极端的参数空间。 段路明研究组发展了离子的量子调控方法，利用绝热演化和高纯度的态制备，将量子拉比模型推到极端的参数空间，在此基础上观测了两个序参量的变化，包括离子自旋态和描述离子运动的声子数，通过观测序参量的演化，成功获得了该模型存在量子相变的证据。该实验发展的量子调控方法在离子量子计算与模拟中也有重要应用。量子拉比模型序参量的演化和量子相变该成果的研究论文《基于单离子的量子拉比模型中的量子相变观测》(Observation of a quantum phase transition in the quantum Rabi model with a single trapped ion）刊发于国际学术期刊《自然•通讯》(Nature Communications)。 论文共同第一作者为交叉信息研究院博士生蔡明磊、刘子都和赵文定，通讯作者为段路明教授。其他作者包括交叉信息研究院博士后吴宇恺，博士研究生梅全鑫、姜越，副研究员何丽，副研究员周子超以及人民大学副教授张翔。 该工作得到了国家重点研发计划、北京量子信息研究院、国家自然科学基金和北京自然科学基金的资助与支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21425-8 中国科学技术大学单分子科学团队侯建国院士、王兵教授、谭世倞教授等发展了多种扫描探针显微成像联用技术，实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征，这一研究成果于近期发表在《科学》杂志上（Science 2021, 371, 818–822）。精确测定分子的化学结构、识别其化学物种一直是表面科学的核心问题。即使在单个分子层次上,分子结构、电子态及其激发态、化学键振动、反应动力学行为等多维度的内禀属性均表现出显著的特异性。 针对分子多维度内禀参量的精密测量是全局性和综合性理解分子特异性的基础，但始终是一个极具挑战性的前沿问题。在过去的40多年里，扫描隧道显微术（STM）及其衍生出的多种高分辨的显微成像技术，如q-Plus原子力显微术（AFM），已经获得1埃量级的空间分辨能力。但是，这些显微技术缺乏化学识别能力。 直到2013年，中国科大单分子科学团队利用针尖增强拉曼成像技术（TERS），首次实现了亚纳米级的化学识别（Nature 2013, 498, 82），并于2019年将该技术的空间分辨推进至1.5埃(Nat. Sci. Rev. 2019, 6, 1169)，为进一步拓展针对分子特异性的全局表征研究打下了基础。该团队在前期工作基础上，采用融合STM, AFM, TERS等扫描探针技术的策略，发展了STM-AFM-TERS联用技术，突破了单一显微成像技术的探测局限。利用这一高分辨的综合表征技术，以并五苯分子及其衍生物作为模型体系，结合电、力、光等不同相互作用实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。 实验结果揭示了Ag(110)表面吸附的并五苯分子转化为不同衍生物的机理，其中纳腔等离激元激发是导致特定吸附构型下C―H键选择性断裂的原因。在技术上，通过集成高灵敏度的单光子计数器，把拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级，成功地实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。 结合理论计算，揭示了分子化学反应过程的机理，验证了实验观测结果。这一融合多维度表征技术策略将为表面催化、表面合成和二维材料中的化学结构与物种识别，以及构效关系的构建提供可行的解决方案，在表面化学、多相催化等研究领域具有重要的科学价值。《科学》杂志审稿人评价该技术将具有跨领域的影响力“becoming highly influential across the fields”。中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心博士生胥佳玉、祝翔是本论文的共同第一作者。该研究获得科技部、中科院、基金委、安徽省项目资助。