我國首次在超冷原子分子混合氣中合成三原子分子

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博等與中國科學(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》。

　　量子計算和量子模擬具有強(qiáng)大的并行計算和模擬能力，不僅能夠解決經(jīng)典計算機(jī)無法處理的計算難題，還能有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，從而為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計等提供指導(dǎo)。利用高度可控的超冷量子氣體來模擬復(fù)雜的難于計算的物理系統(tǒng)，可以對復(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合成三原子分子的示意圖

　　超冷分子將為實現(xiàn)量子計算打開新思路，并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內(nèi)部的振動轉(zhuǎn)動能級復(fù)雜，通過直接冷卻的方法來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。人們可以繞開直接冷卻分子的困難，從超冷原子氣中利用激光、電磁場等來合成分子。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。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究小組在2019年首次觀測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，為合成三原子分子提供了新機(jī)遇。

　　在該項研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究小組和中國科學(xué)院化學(xué)所研究小組合作，首次成功實現(xiàn)了利用射頻場相干合成三原子分子。在實驗中，他們從接近絕對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，通過射頻場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到射頻合成三原子分子信號，并測量了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)的研究開辟了一條新道路。

　　我國科學(xué)家建立蛋白質(zhì)從頭設(shè)計新方法

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊基于數(shù)據(jù)驅(qū)動原理，開辟出一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計路線，在蛋白質(zhì)設(shè)計這一前沿科技領(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)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)成果北京時間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，想要得到特定的功能蛋白，就需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。近年來，國際上蛋白質(zhì)從頭設(shè)計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)建模塊來拼接產(chǎn)生人工結(jié)構(gòu)。然而，這種方法存在設(shè)計結(jié)果單一、對主鏈結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)過于敏感等不足，顯著限制了設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)的多樣性和可變性。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊長期深耕計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。施蘊渝院士是國內(nèi)這一領(lǐng)域的開拓者。劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊十余年來致力于發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動的蛋白質(zhì)設(shè)計方法。該團(tuán)隊首先建立了給定主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計氨基酸序列的ABACUS模型，進(jìn)而發(fā)展了能在氨基酸序列待定時從頭設(shè)計全新主鏈結(jié)構(gòu)的SCUBA模型。理論計算和實驗證明，用SCUBA設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)，能夠突破只能用天然片段來拼接產(chǎn)生新主鏈結(jié)構(gòu)的限制，從而顯著擴(kuò)展從頭設(shè)計蛋白的結(jié)構(gòu)多樣性，甚至設(shè)計出不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)。“SCUBA模型+ABACUS模型”構(gòu)成了能夠從頭設(shè)計具有全新結(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)充分實驗驗證的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計方法，并與之互為補(bǔ)充。在論文中，團(tuán)隊報道了9種從頭設(shè)計的蛋白質(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，這項工作中提出的方法具有足夠的新穎性和實用性;從頭設(shè)計蛋白質(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)計是一項重要成就，證明這種方法運行良好。

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

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的團(tuán)隊，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)電性之間的反常競爭提供了重要實驗證據(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)，但長期以來缺乏合適的材料體系實現(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爭關(guān)系。

　　在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊結(jié)合掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實驗技術(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開爾文左右。新型電子向列相具有Z3對稱性，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爭提供了實驗證據(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。

　　(總臺記者 王利)