我國(guó)首次在超冷原子分子混合氣中合成三原子分子

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博等與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所白春禮小組合作，在超冷原子分子混合氣中首次合成三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模擬和超冷量子化學(xué)的研究邁出重要一步。該成果2月10日發(fā)表于《自然》。

量子計(jì)算和量子模擬具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，不僅能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的計(jì)算難題，還能有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，從而為新能源開(kāi)發(fā)、新材料設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。利用高度可控的超冷量子氣體來(lái)模擬復(fù)雜的難于計(jì)算的物理系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位研究，因而在化學(xué)反應(yīng)和新型材料設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

從超冷原子和雙原子分子混合氣中利用射頻場(chǎng)合成三原子分子的示意圖

超冷分子將為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算打開(kāi)新思路，并為量子模擬提供理想平臺(tái)。但由于分子內(nèi)部的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)復(fù)雜，通過(guò)直接冷卻的方法來(lái)制備超冷分子非常困難。超冷原子技術(shù)的發(fā)展為制備超冷分子提供了一條新途徑。人們可以繞開(kāi)直接冷卻分子的困難，從超冷原子氣中利用激光、電磁場(chǎng)等來(lái)合成分子。從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子，是合成分子領(lǐng)域的重要研究方向。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究小組在2019年首次觀測(cè)到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振。在Feshbach共振附近，三原子分子束縛態(tài)的能量和散射態(tài)的能量趨于一致，同時(shí)散射態(tài)和束縛態(tài)之間的耦合被大幅度地共振增強(qiáng)。原子分子Feshbach共振的成功觀測(cè)，為合成三原子分子提供了新機(jī)遇。

在該項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究小組和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所研究小組合作，首次成功實(shí)現(xiàn)了利用射頻場(chǎng)相干合成三原子分子。在實(shí)驗(yàn)中，他們從接近絕對(duì)零度的超冷原子混合氣出發(fā)，制備了處于單一超精細(xì)態(tài)的鈉鉀基態(tài)分子。在鉀原子和鈉鉀分子的Feshbach共振附近，通過(guò)射頻場(chǎng)將原子分子的散射態(tài)和三原子分子的束縛態(tài)耦合在一起。他們成功地在鈉鉀分子的射頻損失譜上觀測(cè)到射頻合成三原子分子信號(hào)，并測(cè)量了Feshbach共振附近三原子分子的束縛能。這一成果為量子模擬和超冷化學(xué)的研究開(kāi)辟了一條新道路。

我國(guó)科學(xué)家建立蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)新方法

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊(duì)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原理，開(kāi)辟出一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)路線，在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)這一前沿科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)的原始創(chuàng)新，為工業(yè)酶、生物材料、生物醫(yī)藥蛋白等功能蛋白的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)成果北京時(shí)間2月10日發(fā)表于《自然》。

蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，是生命功能的主要執(zhí)行者，其結(jié)構(gòu)與功能由氨基酸序列所決定。目前，能夠形成穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，幾乎全部是天然蛋白質(zhì)，其氨基酸序列是長(zhǎng)期自然進(jìn)化形成。在天然蛋白結(jié)構(gòu)功能不能滿足工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用需求時(shí)，想要得到特定的功能蛋白，就需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來(lái)，國(guó)際上蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)的代表性工作主要采用RosettaDesign——使用天然結(jié)構(gòu)片段作為構(gòu)建模塊來(lái)拼接產(chǎn)生人工結(jié)構(gòu)。然而，這種方法存在設(shè)計(jì)結(jié)果單一、對(duì)主鏈結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)過(guò)于敏感等不足，顯著限制了設(shè)計(jì)主鏈結(jié)構(gòu)的多樣性和可變性。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。施蘊(yùn)渝院士是國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的開(kāi)拓者。劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)致力于發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法。該團(tuán)隊(duì)首先建立了給定主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)氨基酸序列的ABACUS模型，進(jìn)而發(fā)展了能在氨基酸序列待定時(shí)從頭設(shè)計(jì)全新主鏈結(jié)構(gòu)的SCUBA模型。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，用SCUBA設(shè)計(jì)主鏈結(jié)構(gòu)，能夠突破只能用天然片段來(lái)拼接產(chǎn)生新主鏈結(jié)構(gòu)的限制，從而顯著擴(kuò)展從頭設(shè)計(jì)蛋白的結(jié)構(gòu)多樣性，甚至設(shè)計(jì)出不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)?！癝CUBA模型+ABACUS模型”構(gòu)成了能夠從頭設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)和序列的人工蛋白完整工具鏈，是RosettaDesign之外目前唯一經(jīng)充分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)方法，并與之互為補(bǔ)充。在論文中，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了9種從頭設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)分子的高分辨晶體結(jié)構(gòu)，其中5種蛋白質(zhì)具有不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)。

審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)工作中提出的方法具有足夠的新穎性和實(shí)用性；從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)具有挑戰(zhàn)性，本工作中6種不同蛋白質(zhì)的高分辨率設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要成就，證明這種方法運(yùn)行良好。

中國(guó)學(xué)者在籠目超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)新型電子向列相

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的團(tuán)隊(duì)，近日在籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5中發(fā)現(xiàn)一種新型電子向列相。該發(fā)現(xiàn)不僅為理解籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中電荷密度波與超導(dǎo)電性之間的反常競(jìng)爭(zhēng)提供了重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為進(jìn)一步研究關(guān)聯(lián)電子體系中與非常規(guī)超導(dǎo)電性密切相關(guān)的交織序提供了新的研究方向。相關(guān)成果2月10日發(fā)表于《自然》。

電子向列相廣泛存在于高溫超導(dǎo)體、量子霍爾絕緣體等電子體系，與高溫超導(dǎo)電性之間存在緊密聯(lián)系，被認(rèn)為是一種與高溫超導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的交織序。探索具有新結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料體系，從而進(jìn)一步研究超導(dǎo)與各種交織序的關(guān)聯(lián)是當(dāng)前領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其中一類備受關(guān)注的體系為二維籠目結(jié)構(gòu)。理論預(yù)測(cè)二維籠目體系可呈現(xiàn)出新奇的超導(dǎo)電性和豐富的電子有序態(tài)，但長(zhǎng)期以來(lái)缺乏合適的材料體系實(shí)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)物理，籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5的發(fā)現(xiàn)為該方向的探索提供新的研究體系。

籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中三重調(diào)制電荷密度波導(dǎo)致的電子向列序與超導(dǎo)電性的物理示意圖

陳仙輝團(tuán)隊(duì)在前期研究中已成功揭示該體系中面內(nèi)三重調(diào)制的電荷密度波態(tài)，以及電荷密度波與超導(dǎo)電性在壓力下的反常競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)結(jié)合掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)體系在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之前，三重調(diào)制電荷密度波態(tài)會(huì)進(jìn)一步演化為一種熱力學(xué)穩(wěn)定的電子向列相，并確定轉(zhuǎn)變溫度在35開(kāi)爾文左右。新型電子向列相具有Z3對(duì)稱性，在理論上被three state Potts模型所描述，因而又被稱為“Potts”向列相。有趣的是，這種新型電子向列相近期在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系中也被觀察到。

這一成果不僅在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中揭示了一種新型電子向列相，也為理解這類體系中超導(dǎo)與電荷密度波之間的競(jìng)爭(zhēng)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此前的掃描隧道譜研究表明，CsV3Sb5體系中可能存在超導(dǎo)電性與電荷密度波序相互交織而形成的配對(duì)密度波態(tài)（PDW）。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上發(fā)現(xiàn)的電子向列序，可以被理解成一種與PDW相關(guān)的交織序，這一結(jié)果也為理解高溫超導(dǎo)體中的PDW提供了重要線索和思路。

（總臺(tái)記者 王利）