研究亮点
SCOPE 研究组的代表性研究成果。
Unveiling the Amorphous Ice Layer during Premelting Using AFM Integrating Machine Learning
冰在真正熔化之前便已开始发生变化。即使温度远低于冰点，其表面也会通过预融形成一层很薄的类液层；这一过程与云形成、低温保存和行星科学等领域密切相关。我们构建了一个机器学习框架，将高分辨率原子力显微镜与计算机模拟结合，在原子尺度上解析冰表面，并识别出一层非晶冰。该层是一种无序的类固态，出现在 121–180 K 范围内，且先于类液层形成。识别这一长期被忽视的相，有助于理解冰的熔化和生长。我们的 AI 辅助框架也为研究材料与表面科学中的其他复杂问题提供了潜在途径，包括复杂无序表面、催化剂、功能材料与生物分子。
Phys. Rev. X 15, 041048 (2025) · Phys.org News · PKU News · MIT Technology Review · PDF
Atomic-resolution imaging reveals nucleus-free crystallization in two-dimensional amorphous ice on graphite
结晶是材料科学和自然体系中的基本过程，从矿物形成到功能材料制备均与之相关。在三维块体体系中，结晶通常由经典成核理论描述，即先形成临界晶核，再继续生长。然而，结晶发生在二维或界面环境中时，过程更为复杂，也可能偏离这一经典图景。
Nature Communications 16, 8628 (2025) · PKU News · Guangming Daily · PDF
Molecularly resolved mapping of heterogeneous ice nucleation and crystallization pathways using in-situ cryo-TEM
水分子在异质基底上的组装以及雨雪等降水的形成，都是普遍存在的现象，影响着地球生态系统和环境。尽管相关研究广泛而深入，对此类非均相成核和生长过程的认识仍很有限。
Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution
原子尺度限域可显著增强低维水输运，但其微观起源仍有争议。本研究结合实验与模拟，揭示了石墨烯和六方氮化硼表面二维水岛的原子结构与输运行为。由于表面静电性质不同，水岛晶格与石墨烯表面不共格，而与氮化硼表面共格。这些结果为低维无摩擦水输运提供了微观解释，并表明结构超润滑对表面静电性质高度敏感，而此前的传统固体—固体摩擦研究并未涉及这种影响。
Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution
传统观点认为，晶态冰表面只是由体相截断形成的平面，不会发生重构。然而，固体表面的原子通常会通过重排降低表面能。冰表面是否也会发生类似重构，以及其中质子如何有序排列，长期以来仍不清楚。
Nature 630, 375–380 (2024) · PDF · PKU News · PKU News (English) · Nature Comment
Nanoscale one-dimensional close packing of interfacial alkali ions driven by water-mediated attraction
限域条件下水合离子的原子尺度排列与输运，在海水淡化、水系和非水系二次电池、生物离子通道等应用领域及自然现象中具有重要作用。离子的水合与脱水过程，是决定生物和人工离子通道渗透性与选择性的关键因素。
Spin Nernst effect and spatiotemporal dynamic simulation of topological magnons in the antiferromagnet Cu3TeO6
由体能带非平庸拓扑所产生的拓扑表面态受到广泛关注。与电子相比，磁性材料中的磁振子传播可以通过自旋进动更直观地表征，并可产生不同效应。
Harvesting Energy from Changes in Relative Humidity Using Nanoscale Water Capillary Bridges
我们的研究表明，当相对湿度发生变化时，在具有斑块的表面之间形成的纳米尺度水毛细桥可从环境中提取能量。
Topology of vibrational modes predicts plastic events in glasses
晶体材料的塑性变形可通过旋错和位错等结构缺陷来理解。玻璃虽同样是固体，其结构却更接近液体，因此结构缺陷的概念难以明确定义。
Nature Communications 14, 2955 (2023) · PDF · PKU Physics News · Nature Communications Comment
Quantum criticality of a Z3-symmetric spin chain with long-range interactions
我们采用大规模密度矩阵重整化群方法，研究具有长程相互作用的量子三态 Potts 链的临界行为，并以保真度易感性为指标，获得了该体系的完整相图。
Fidelity susceptibility as a diagnostic of the commensurate-incommensurate transition: A revisit of the programmable Rydberg chain
近年来，可编程里德堡原子阵列被广泛用于模拟新的量子相与相变，引起了理论和实验研究者的广泛关注。
Machine learning-aided atomic structure identification of interfacial ionic hydrates from AFM images
界面离子水合物与诸多应用领域和自然过程相关，已被超高分辨率原子力显微镜广泛研究。然而，AFM 信号与被测体系之间的关系十分复杂，仅凭 AFM 图像难以确定这类复杂体系的原子结构。
Visualizing Eigen/Zundel cations and their interconversion in monolayer water on metal surfaces
水合质子在众多物理和化学过程中发挥关键作用。然而，在原子尺度上对其进行实验表征仍具挑战，尤其是在界面体系中。
Science 377, 315–319 (2022) · PDF · PKU News · PKU News (English)
Glass polyamorphism in gallium: Two amorphous solid states and their transformation on the potential energy landscape
我们结合势能景观理论和分子动力学模拟，研究镓的两种非晶固态——低密度非晶态与高密度非晶态——之间的相变，并将其与对应的平衡态液—液相变进行比较。
Nuclear quantum effects on the thermodynamic response functions of a polymorphic waterlike monatomic liquid
水和氢被认为可能在核量子效应显著的条件下存在液—液临界点。液—液临界点通常伴随密度及热力学响应函数的极大值线。