「水的結構是什麼」是《Science》雜誌在創刊125周年的特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。水的結構之所以如此複雜,其中一個很重要的原因就是源於水分子之間的氫鍵相互作用。人們通常認為氫鍵的本質為經典的靜電相互作用,然而由於氫原子核質量很小,其量子特性(量子隧穿和量子漲落)往往不可忽視,因此氫鍵同時也包含一定的量子成分。氫核的量子效應對氫鍵相互作用到底有多大影響?或者說氫鍵的量子成分究竟有多大?這個問題對於理解水/冰的微觀結構和反常物性至關重要。但是,氫核的量子化研究無論對於實驗還是理論都非常具有挑戰性。
左圖為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應的示意圖。右圖為單個水分子的非彈性電子隧穿譜,從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉動等振動模式,這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。