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    一日三篇刊《自然》,虎虎生威賀新年
    來源:互聯網   發布日期:2022-02-10 09:57:03   瀏覽:19077次  

    導讀:來源 | 中國科學技術大學 2月10日凌晨,國際權威學術期刊《自然》在線發表了中國科大團隊在籠目結構超導體、基于超冷原子分子的量子模擬、蛋白質設計三個方面取得的重要進展。以下是成果簡介。 在籠目結構超導體研究領域取得重要進展 中國科學技術大學陳仙輝...

    來源 | 中國科學技術大學

    2月10日凌晨,國際權威學術期刊《自然》在線發表了中國科大團隊在籠目結構超導體、基于超冷原子分子的量子模擬、蛋白質設計三個方面取得的重要進展。以下是成果簡介。

    在籠目結構超導體研究領域取得重要進展

    中國科學技術大學陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的團隊,近日在籠目超導體

    CsV3Sb5中發現一種新型電子向列相。該發現不僅為理解籠目結構超導體中電荷密度波與超導電性之間的反常競爭提供了重要實驗證據,也為進一步研究關聯電子體系中與非常規超導電性密切相關的交織序提供了新的研究方向。相關成果2月10日以“加速預覽”的方式在線發表于《自然》。

    電子向列相廣泛存在于高溫超導體、量子霍爾絕緣體等電子體系,與高溫超導電性之間存在緊密聯系,被認為是一種與高溫超導相關聯的交織序。探索具有新結構的超導材料體系,從而進一步研究超導與各種交織序的關聯是當前領域的一個重要研究方向,其中一類備受關注的體系為二維籠目結構。理論預測二維籠目體系可呈現出新奇的超導電性和豐富的電子有序態,但長期以來缺乏合適的材料體系實現其關聯物理,籠目超導體CsV3Sb5的發現為該方向的探索提供新的研究體系。

    一日三篇刊《自然》,虎虎生威賀新年

    籠目結構超導體中三重調制電荷密度波導致的電子向列序與超導電性的物理示意圖

    陳仙輝團隊在前期研究中已成功揭示該體系中面內三重調制的電荷密度波態,以及電荷密度波與超導電性在壓力下的反常競爭關系。在此基礎上,團隊結合掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實驗技術,發現體系在進入超導態之前,三重調制電荷密度波態會進一步演化為一種熱力學穩定的電子向列相,并確定轉變溫度在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角石墨烯體系中也被觀察到。

    這一成果不僅在籠目結構超導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與電荷密度波之間的競爭提供了實驗證據。此前的掃描隧道譜研究表明,CsV3Sb5體系中可能存在超導電性與電荷密度波序相互交織而形成的配對密度波態(PDW)。在超導轉變溫度之上發現的電子向列序,可以被理解成一種與PDW相關的交織序,這一研究結果也為理解高溫超導體中的PDW提供了重要線索和思路。

    首次在超冷原子分子混合氣中

    合成三原子分子

    中國科學技術大學潘建偉、趙博等與中國科學院化學所白春禮小組合作,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的研究邁出重要一步。該成果2月10日發表于《自然》。

    量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力,不僅能夠解決經典計算機無法處理的計算難題,還能有效揭示復雜物理系統的規律,從而為新能源開發、新材料設計等提供指導。利用高度可控的超冷量子氣體來模擬復雜的難于計算的物理系統,可以對復雜系統進行精確的全方位研究,因而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。

    超冷分子將為實現量子計算打開新思路,并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內部的振動轉動能級復雜,通過直接冷卻的方法來制備超冷分子非常困難。超冷原子技術的發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,是合成分子領域的重要研究方向。

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    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

    中國科學技術大學研究小組在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,三原子分子束縛態的能量和散射態的能量趨于一致,同時散射態和束縛態之間的耦合被大幅度地共振增強。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遇。

    在該項研究中,中國科學技術大學研究小組和中國科學院化學所研究小組合作,首次成功實現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,制備了處于單一超精細態的鈉鉀基態分子。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和三原子分子的束縛態耦合在一起。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的信號,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的研究開辟了一條新的道路。

    建立蛋白質從頭設計新方法

    中國科學技術大學劉海燕教授、陳泉副教授團隊基于數據驅動原理,開辟出一條全新的蛋白質從頭設計路線,在蛋白質設計這一前沿科技領域實現了關鍵核心技術的原始創新,為工業酶、生物材料、生物醫藥蛋白等功能蛋白的設計奠定了堅實的基矗相關成果北京時間2月10日發表于《自然》。

    一日三篇刊《自然》,虎虎生威賀新年

    團隊部分成員

    攝影:代蕊

    動畫制作:量子鯤工作室

    蛋白質是生命的基礎,是生命功能的主要執行者,其結構與功能由氨基酸序列所決定。目前,能夠形成穩定三維結構的蛋白質,幾乎全部是天然蛋白質,其氨基酸序列是長期自然進化形成。在天然蛋白結構功能不能滿足工業或醫療應用需求時,想要得到特定的功能蛋白,就需要對其結構進行設計。

    近年來,國際上蛋白質從頭設計的代表性工作主要采用RosettaDesign使用天然結構片段作為構建模塊來拼接產生人工結構。然而,這種方法存在設計結果單一、對主鏈結構細節過于敏感等不足,顯著限制了設計主鏈結構的多樣性和可變性。

    中國科學技術大學相關團隊長期深耕計算結構生物學方向的基礎研究和應用基礎研究。施蘊渝院士是國內這一領域的開拓者。劉海燕教授、陳泉副教授團隊十余年來致力于發展數據驅動的蛋白質設計方法。

    該團隊首先建立了給定主鏈結構設計氨基酸序列的ABACUS模型,進而發展了能在氨基酸序列待定時從頭設計全新主鏈結構的SCUBA模型。理論計算和實驗證明,用SCUBA設計主鏈結構,能夠突破只能用天然片段來拼接產生新主鏈結構的限制,從而顯著擴展從頭設計蛋白的結構多樣性,甚至設計出不同于已知天然蛋白的新穎結構。“SCUBA模型+ABACUS模型”構成了能夠從頭設計具有全新結構和序列的人工蛋白完整工具鏈,是RosettaDesign之外目前唯一經充分實驗驗證的蛋白質從頭設計方法,并與之互為補充。

    在論文中,團隊報道了9種從頭設計的蛋白質分子的高分辨晶體結構,其中5種蛋白質具有不同于已知天然蛋白的新穎結構。

    一日三篇刊《自然》,虎虎生威賀新年

    在這幅展開的畫卷上,展開的部分是天然蛋白質結構,毛筆正在繪制的是從頭設計蛋白的結構。毛筆代表了蛋白質設計的工具(SCUBA+ABACUS),可”描繪“出不同于已知天然蛋白的新穎結構。

    美術設計:陳磊

    審稿人認為,這項工作中提出的方法具有足夠的新穎性和實用性;從頭設計蛋白質具有挑戰性,本工作中6種不同蛋白質的高分辨率設計是一項重要成就,證明這種方法運行良好。

    來源:中國科學技術大學新聞中心

    文字:桂運安 王敏

    編輯:李文心

    轉載自“中國科學技術大學”公眾號

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