均獲2025年度國家自然科學獎一等獎！走近2所高校科研成果

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，也是教育戰線服務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、南昌大學科研團隊的故事——

看穿水的“量子心”

水是地球上最常見的物質，卻藏著物理學界最頑固的難題。它的結構之謎、氫鍵本質之謎，困擾了一代又一代科學家。為了揭開這些謎底，北京大學教授王恩哥、江穎帶領團隊，潛心研究水的全量子效應長達25年。

團隊合影

7月8日，在國家科學技術獎勵大會上，他們憑借“水的氫鍵強度及動力學過程全量子效應研究”獲得2025年度國家自然科學獎一等獎。

故事要從微觀世界的奇妙規則說起。電子、原子核這些小家伙，既是粒子也是波，這是量子力學的基本常識，也是習慣于用宏觀視角看問題的人們最難理解的地方。1927年，物理學家玻恩和奧本海默為了簡化計算，做了一個“聰明”的假設：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，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。“這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聯的。”王恩哥說。

水是研究全量子效應的最佳試驗場。水中三分之二的原子是質量最輕的氫原子，量子效應最為顯著。更重要的是，決定水幾乎所有反常性質的氫鍵，百年來一直沒被真正研究清楚。

2002年，王恩哥和美國物理學家費貝爾曼有一場關于水在金屬表面能否自發分解的科學爭論。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雜的高維解析求解災難，發展出一套國際領先的全量子效應計算軟件。實驗方面，江穎另辟蹊徑，原創了高階靜電力掃描探針顯微術，帶領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，科學家在人類歷史上首次“看清”了水分子內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化樣機；單個水分子高階靜電力成像圖

發現氫原子核協同隧穿新機制

有了看清氫原子的“眼睛”和準確解釋氫鍵作用的“頭腦”，一系列顛覆性發現接踵而至。他們發現，看似微弱的核量子效應，對氫鍵強度的貢獻竟高達14%，遠超室溫下的熱效應，而且其作用規律非常簡潔：弱化弱氫鍵、強化強氫鍵。正是這個規律，使得水中氫鍵有長有短。

他們的研究不僅解開了老謎題，更發現了新的物理現象。團隊首次發現，質子在氫鍵網絡中可以四個協同“齊步跳”，這打破了200多年來被用于描述質子分步傳輸的格羅特斯機制。最近，他們還將全量子效應變成一個調控物態的“旋鈕”，在常壓下使二維冰從絕緣態轉變為金屬態，向冰的金屬化乃至超導邁出了重要一步。此外，離子水合物的“幻數效應”也被他們揭示。

通過調控核量子效應得到的二維冰新物態

關于水的全量子效應的研究，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物理研究新范式，證明了原子量子態的重要性，提出全量子物理研究的理論方法，并自主研發了尖端實驗設備，取得了世界領先成果。

從當初被認為是“做不出大文章”的冷板凳，到如今國家自然科學獎的最高領獎臺，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。

尋找“缺陷”深處的光亮

7月8日，在國家科學技術獎勵大會上，南昌大學江風益院士團隊完成的“V缺陷三維PN結及應用”項目，榮獲2025年度國家自然科學獎一等獎。該項目跳出國外技術路線的延長線，走出自主研發的新路徑，提出了新理論方法，實現了技術水平躍升，從基礎研究起步做到了商品化。

在發光領域，傳統LED采用二維PN結結構，通過發光二極管的P型半導體和N型半導體平面接觸，構成一個二維平面，發光材料在這個交界面上發光，而與之共生的“V缺陷”在傳統觀念中被認為是一種不好的存在。

江風益院士團隊“V缺陷三維PN結及應用”項目通過發現位錯誘導形成的大尺寸V缺陷三維結構，具有增強空穴注入量子阱和提高量子阱質量等有益作用，打破“位錯缺陷越少越好／越小越好”傳統認知；提出了V缺陷三維PN結理論方法，使PN結界面由二維發展到三維，空穴注入量子阱的路徑從勢壘高的極性面轉變為勢壘低的半極性面，使V缺陷從有“大害”到有“小害”，發展為有“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，當他站在測試現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，彼時的他也認為與發光材料共生長出的缺陷是不好的東西。

而在一旁的江風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、提升發光效率。”一個科學猜想由此而生，隨即團隊開啟機理研究；2014年團隊發表首篇理論論文，提出缺陷具備正向作用，2015年德國龍頭企業依據該論文布局相關專利。

這些年，團隊反向利用原生微缺陷，在六角錐狀缺陷坑內生長半導體材料，讓PN結從平面二維轉變為立體三維結構，將黃光LED發光效率長期不足10%，提升到常規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照明技術路線（無熒光粉），產品批量應用于路橋照明和氛圍照明等場景。項目顯示芯片批量應用于特種專項裝備。項目實現了硅基氮化鎵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，被推廣應用到量大面廣的共識路線，提升其技術水平，推進半導體發光學科和半導體照明顯示產業發展。

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，北京大學、南昌大學微信號，科技日報視頻號

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