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1、我國科學(xué)家首次在超冷原子分子混合氣中實(shí)現(xiàn)三原子分子的量子相干合成

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，在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實(shí)現(xiàn)三原子分子的相干合成。在該研究中，他們在鉀原子和鈉鉀基態(tài)分子的Feshbach共振附近利用射頻場將原子和雙原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模擬和超冷量子化學(xué)的研究邁出了重要一步。2月10日，這一重要研究成果發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

圖：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

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，從而為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。量子計(jì)算研究的終極目標(biāo)是構(gòu)建通用型量子計(jì)算機(jī)，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要制備大規(guī)模的量子糾纏并進(jìn)行容錯(cuò)計(jì)算，仍然需要長期不懈的努力。當(dāng)前量子計(jì)算的短期目標(biāo)是發(fā)展專用型量子計(jì)算機(jī)，即專用量子模擬機(jī)，它能夠在某些特定的問題上解決現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。例如，超冷原子分子量子模擬，利用高度可控的超冷量子氣體來模擬復(fù)雜的難于計(jì)算的物理系統(tǒng)，可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位的研究，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。下載化學(xué)加APP，閱讀更多行業(yè)資訊。

超冷分子將為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算打開新的思路，并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內(nèi)部的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級非常復(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的途徑。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。利用光從原子氣中合成分子的研究可以追溯到上世紀(jì)八十年代。激光冷卻原子技術(shù)的出現(xiàn)使得光合成雙原子分子得以快速的發(fā)展，并在高精度光譜測量中取得了廣泛的應(yīng)用。在光合成雙原子分子取得成功之后，人們開始思考能否利用量子調(diào)控技術(shù)從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2006年發(fā)表的綜述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的Paul Julienne教授等人回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發(fā)展歷史，并指出從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子是未來合成分子領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。由于光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點(diǎn)，一直無法用來研究三原子分子的合成。后來隨著超冷原子氣中Feshbach共振技術(shù)的發(fā)展，利用磁場或射頻場合成分子成為制備超冷雙原子分子的主要技術(shù)手段。從超冷原子中制備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以用激光將其相干地轉(zhuǎn)移到振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的基態(tài)。自2008年美國科學(xué)院院士Deborah Jin和葉軍的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組制備了銣鉀超冷基態(tài)分子以來，多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實(shí)驗(yàn)室中被制備出來，并被廣泛地應(yīng)用于超冷化學(xué)和量子模擬的研究中。

超冷基態(tài)分子的成功制備重新喚起了人們對合成三原子分子的研究興趣。2015年，法國國家科學(xué)研究中心的Olivier Dulieu教授等在理論上分析了從原子雙原子分子混合氣中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用極其復(fù)雜，無法精確計(jì)算，因而理論上無法預(yù)測三原子分子的束縛態(tài)的能量以及散射態(tài)和束縛態(tài)的耦合強(qiáng)度。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究小組在2019年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志 [Science 363, 261 (2019)]。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共振的成功觀測為合成三原子分子提供了新的機(jī)遇。但由于原子和分子的Feshbach共振非常復(fù)雜，理論上難以理解，能否和如何利用Feshbach共振來合成三原子分子依然是實(shí)驗(yàn)上的巨大挑戰(zhàn)。

在該項(xiàng)研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究小組和中科院化學(xué)所的研究小組合作，首次成功實(shí)現(xiàn)了利用射頻場相干合成三原子分子。在實(shí)驗(yàn)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了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。這一工作為量子模擬和超冷化學(xué)的研究開辟了一條新的道路。超冷三原子分子是模擬量子力學(xué)下三體問題的理想研究平臺。三體問題極其復(fù)雜，即使經(jīng)典的三體問題由于存在混沌效應(yīng)也無法精確求解。在量子力學(xué)的約束下，三體問題變得更加難以捉摸。如何理解和描述量子力學(xué)下的三體問題一直都是少體物理中的一個(gè)重要難題。此外，超冷三原子分子可以用來實(shí)現(xiàn)超高精度的光譜測量，這為刻畫復(fù)雜的三體相互作用勢能面提供了重要的基準(zhǔn)。由于計(jì)算勢能面需要高精度地求解多電子薛定諤方程，超冷三原子分子的勢能面也為量子化學(xué)中的電子結(jié)構(gòu)問題提供了重要的信息。

該研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省、上海市等單位的支持。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2

2、中國科大在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的研究團(tuán)隊(duì)，近日在籠目結(jié)構(gòu)（kagome）超導(dǎo)體的研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5中觀測到電荷密度波序在低溫下演化為由three state Potts模型所描述的電子向列相，該向列相的發(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(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（intertwined orders）提供了新的研究方向。相關(guān)研究成果于2月9日以 “Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor”為題在Nature雜志上以“Accelerated Article Preview”的方式在線發(fā)表 。   

圖：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

電子向列相是一種由電子自由度旋轉(zhuǎn)對稱性的自發(fā)破缺而產(chǎn)生的電子有序態(tài)，其廣泛存在于高溫超導(dǎo)體、量子霍爾絕緣體等電子體系。電子向列相與高溫超導(dǎo)電性之間存在著緊密的聯(lián)系，被認(rèn)為是一種與高溫超導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的交織序，是高溫超導(dǎo)的理論研究中重大的科學(xué)問題和研究熱點(diǎn)。探索具有新結(jié)構(gòu)的超導(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)測在范霍夫奇點(diǎn)（van Hove singularities）摻雜附近，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來實(shí)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)物理。近年來，籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5的發(fā)現(xiàn)為該方向的探索提供了新的研究體系。中科大超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中已成功揭示了該體系中面內(nèi)三重調(diào)制（triple-Q）的電荷密度波態(tài)（Phys. Rev. X 11, 031026 (2021)），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（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)）。

在這些基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)充分結(jié)合了掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，針對CsV3Sb5中的電荷密度波態(tài)的演化進(jìn)行了細(xì)致的研究。他們發(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)一步地演化為一種熱力學(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。該電子向列相與之前在高溫超導(dǎo)體中觀測到的電子向列有所不同：高溫超導(dǎo)體中的電子向列相是Ising類型的向列相，具有Z2對稱性；而在籠目超導(dǎo)CsV3Sb5中發(fā)現(xiàn)的電子向列相具有Z3對稱性，在理論上被three state Potts模型所描述，因而也被稱為“Potts”向列相。有趣的是，這種新型的電子向列相最近在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系中也被觀察到。化學(xué)加，加您更精彩！

這些發(fā)現(xiàn)不僅在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中揭示了一種新型的電子向列相，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(shí)驗(yàn)證據(jù)。之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)（Pair density wave state，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，這一研究結(jié)果也為理解高溫超導(dǎo)體中的PDW提供了重要的線索和思路。如何理解籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體中超導(dǎo)電性及其交織序的形成機(jī)制還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與理論研究。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士研究生聶林鵬、孫貺律和物理學(xué)院的博士研究生馬婉茹為論文的共同第一作者，陳仙輝教授、吳濤教授和王震宇教授為文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目以及校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https:// www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8

3、中國科大建立新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)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(duì)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略，開辟出一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)路線，相關(guān)成果以“用于蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的以主鏈為中心的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)”為題于北京時(shí)間2月10日發(fā)表于Nature。

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(shí)，想要得到特定的功能蛋白，就需要對其結(jié)構(gòu)和序列進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，國際上報(bào)道的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)工作主要使用天然結(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(jì)結(jié)果單一、對主鏈結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)過于敏感等不足，限制了設(shè)計(jì)主鏈結(jié)構(gòu)的多樣性和可變性。蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)中最困難的問題，是如何充分地探索蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)空間，發(fā)現(xiàn)新穎的、“高可設(shè)計(jì)性”主鏈結(jié)構(gòu)，對這一問題目前還缺乏系統(tǒng)性的解決方法。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)長期深耕計(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)渝院士是國內(nèi)這一領(lǐng)域的開拓者；劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊(duì)十余年來致力于發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過長期不懈努力，建立并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了給定主鏈結(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（圖1）。SCUBA采用了一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)策略，基于核密度估計(jì)（或近鄰計(jì)數(shù)，NC）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合（NN）方法，從原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式的解析能量函數(shù)，能夠高保真地反應(yīng)實(shí)際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)變量間的高維相關(guān)關(guān)系，在不確定序列的前提下，連續(xù)、廣泛地搜索主鏈結(jié)構(gòu)空間，自動(dòng)產(chǎn)生“高可設(shè)計(jì)性”主鏈。

圖1.用SCUBA模型進(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的原理。(a) SCUBA主鏈能量面上的極小對應(yīng)了蛋白質(zhì)的可設(shè)計(jì)主鏈結(jié)構(gòu)，即特定氨基酸序列下的最低自由能結(jié)構(gòu)；(b) SCUBA中用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的統(tǒng)計(jì)能量項(xiàng)；(c)和（d） 用近鄰計(jì)數(shù)（NC）-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）方法從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)解析能量函數(shù)的方法框架。

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拼接產(chǎn)生新主鏈結(jié)構(gòu)的限制，顯著擴(kuò)展從頭設(shè)計(jì)蛋白的結(jié)構(gòu)多樣性，進(jìn)而設(shè)計(jì)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(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)(圖2)，它們的實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型一致，其中5種蛋白質(zhì)具有天然蛋白質(zhì)中尚未觀察到的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。                    

圖2.從頭設(shè)計(jì)蛋白的高分辨晶體結(jié)構(gòu)（天藍(lán)色）與設(shè)計(jì)模型（綠色）比較。

Nature雜志的審稿人認(rèn)為，“與現(xiàn)有方法不同，現(xiàn)有方法要么使用參數(shù)方程來描述預(yù)定義螺旋結(jié)構(gòu)的空間，要么基于片段組裝的方法依賴于已知蛋白質(zhì)片段。SCUBA方法原則上允許人們探索任意主鏈結(jié)構(gòu)，然后填充序列，允許人們設(shè)計(jì)比自然界中觀察到的更廣泛的蛋白質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)”；“蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)仍然具有挑戰(zhàn)性，本工作中六種不同蛋白質(zhì)的高分辨率設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要成就，表明此方法工作良好”；“本研究中報(bào)道的成功設(shè)計(jì)數(shù)量之多令人印象深刻，并提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明了基礎(chǔ)技術(shù)是魯棒的。所采用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量項(xiàng)是新穎的，因?yàn)樗鼈兛坍嬃烁鼈鹘y(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法無法企及的多維特征，該方法具有足夠的新穎性和實(shí)用性”。

中國科大生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部劉海燕教授和陳泉副教授為論文通訊作者。博士生黃斌、許洋、胡秀紅為論文共同第一作者。中國科大團(tuán)隊(duì)的工作在蛋白質(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)。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5