冰是宇宙中最重要的物质之一，它在地球和其他星体的环境和演化中扮演着至关重要的角色。然而，冰在极端条件下的结构和性质仍然充满了神秘。冰中质子的量子隧穿通常被认为是非局域的，但是非局域隧穿的空间和时间尺度并不明确且难以使用传统光谱手段直接观测。同时，冰的热输运性质由氧晶格的长程声子主导，对氢原子的全局而非局域隧穿具有敏感性，因此可以作为氢晶格大尺度量子动力学的天然探测手段。

近日，清华大学深圳国际研究生院孙波副教授课题组和余旷副教授课题组合作在热输运的量子效应研究中取得新进展。两个团队通过测试高压冰的热导率，结合量子分子动力学模拟，发现了高压下由大尺度协同量子隧穿引起的冰的热导率的反常效应。研究表明，质子在冰中可以形成量子隧穿环，其空间尺度可以达到几个纳米，时间尺度可以达到几十皮秒，这突破了对于冰中质子隧穿尺度的既有认知。研究揭示了大尺度耦合量子隧穿环这一无序晶体中全新的声子散射机制，由该机制诱导的高压冰反常低热导行为将显著影响冰行星的内部动力学演化模型的构建。

相关研究成果以“质子的长程量子隧穿诱发高压冰的反常热导率”（Proton collective quantum tunneling induces anomalous thermal conductivity of ice under pressure）为题，于6月26日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

清华大学深圳国际研究生院2022级博士生王昱峰、2019级硕士罗日鹏为论文的共同第一作者，孙波和余旷为论文的共同通讯作者。论文合作者包括南方科技大学副教授王善民，博士陈见、周雪峰。论文得到清华大学深圳国际研究生院教授康飞宇的帮助和支持。研究得到国家自然科学基金国际（地区）合作交流项目、深圳市优秀青年基金、深圳市稳定支持重点项目的资助。