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1、我國科學家首次在超冷原子分子混合氣中實現三原子分子的量子相干合成

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，在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現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的研究邁出了重要一步。2月10日，這一重要研究成果發表在國際權威學術期刊《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。量子計算研究的終極目標是構建通用型量子計算機，但實現這一目標需要制備大規模的量子糾纏并進行容錯計算，仍然需要長期不懈的努力。當前量子計算的短期目標是發展專用型量子計算機，即專用量子模擬機，它能夠在某些特定的問題上解決現有經典計算機無法解決的問題。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的研究，因而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。下載化學加APP，閱讀更多行業資訊。

超冷分子將為實現量子計算打開新的思路，并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內部的振動轉動能級非常復雜，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八十年代。激光冷卻原子技術的出現使得光合成雙原子分子得以快速的發展，并在高精度光譜測量中取得了廣泛的應用。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控技術從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2006年發表的綜述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美國國家標準局的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域的一個重要研究方向。由于光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點，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共振技術的發展，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、溫度低等優點，并且可以用激光將其相干地轉移到振動轉動的基態。自2008年美國科學院院士Deborah Jin和葉軍的聯合實驗小組制備了銣鉀超冷基態分子以來，多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來，并被廣泛地應用于超冷化學和量子模擬的研究中。

超冷基態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雜，無法精確計算，因而理論上無法預測三原子分子的束縛態的能量以及散射態和束縛態的耦合強度。中國科學技術大學的研究小組在2019年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振，相關成果發表于《科學》雜志 [Science 363, 261 (2019)]。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的機遇。但由于原子和分子的Feshbach共振非常復雜，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驗上的巨大挑戰。

在該項研究中，中國科學技術大學的研究小組和中科院化學所的研究小組合作，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下三體問題的理想研究平臺。三體問題極其復雜，即使經典的三體問題由于存在混沌效應也無法精確求解。在量子力學的約束下，三體問題變得更加難以捉摸。如何理解和描述量子力學下的三體問題一直都是少體物理中的一個重要難題。此外，超冷三原子分子可以用來實現超高精度的光譜測量，這為刻畫復雜的三體相互作用勢能面提供了重要的基準。由于計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中的電子結構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、中國科大在籠目結構超導體研究領域取得重要進展

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的研究團隊，近日在籠目結構（kagome）超導體的研究中取得重要進展。研究團隊在籠目超導體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（intertwined orders）提供了新的研究方向。相關研究成果于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”的方式在線發表 。   

圖：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

電子向列相是一種由電子自由度旋轉對稱性的自發破缺而產生的電子有序態，其廣泛存在于高溫超導體、量子霍爾絕緣體等電子體系。電子向列相與高溫超導電性之間存在著緊密的聯系，被認為是一種與高溫超導相關聯的交織序，是高溫超導的理論研究中重大的科學問題和研究熱點。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。理論預測在范霍夫奇點（van Hove singularities）摻雜附近，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來實現其關聯物理。近年來，籠目超導體CsV3Sb5的發現為該方向的探索提供了新的研究體系。中科大超導研究團隊在前期研究中已成功揭示了該體系中面內三重調制（triple-Q）的電荷密度波態（Phys. Rev. X 11, 031026 (2021)），以及電荷密度波與超導電性在壓力下的反常競爭關系（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)）。

在這些基礎上，研究團隊充分結合了掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實驗技術，針對CsV3Sb5中的電荷密度波態的演化進行了細致的研究。他們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地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。該電子向列相與之前在高溫超導體中觀測到的電子向列有所不同：高溫超導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CsV3Sb5中發現的電子向列相具有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角石墨烯體系中也被觀察到。化學加，加您更精彩！

這些發現不僅在籠目結構超導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與電荷密度波之間的競爭提供了實驗證據。之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（Pair density wave state，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提供了重要的線索和思路。如何理解籠目結構超導體中超導電性及其交織序的形成機制還需要進一步的實驗與理論研究。

合肥微尺度物質科學國家研究中心的博士研究生聶林鵬、孫貺律和物理學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。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省引導項目以及校創新團隊項目的資助。

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從頭設計方法

中國科學技術大學劉海燕教授、陳泉副教授團隊采用數據驅動策略，開辟出一條全新的蛋白質從頭設計路線，相關成果以“用于蛋白質設計的以主鏈為中心的神經網絡能量函數”為題于北京時間2月10日發表于Nature。

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，就需要對其結構和序列進行設計。目前，國際上報道的蛋白質從頭設計工作主要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，限制了設計主鏈結構的多樣性和可變性。蛋白質從頭設計中最困難的問題，是如何充分地探索蛋白質主鏈結構空間，發現新穎的、“高可設計性”主鏈結構，對這一問題目前還缺乏系統性的解決方法。

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，經過長期不懈努力，建立并實驗驗證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（圖1）。SCUBA采用了一種新的統計學習策略，基于核密度估計（或近鄰計數，NC）和神經網絡擬合（NN）方法，從原始結構數據中得到神經網絡形式的解析能量函數，能夠高保真地反應實際蛋白質結構中不同結構變量間的高維相關關系，在不確定序列的前提下，連續、廣泛地搜索主鏈結構空間，自動產生“高可設計性”主鏈。

圖1.用SCUBA模型進行蛋白質設計的原理。(a) SCUBA主鏈能量面上的極小對應了蛋白質的可設計主鏈結構，即特定氨基酸序列下的最低自由能結構；(b) SCUBA中用神經網絡表示的統計能量項；(c)和（d） 用近鄰計數（NC）-神經網絡（NN）方法從蛋白質結構原始數據中學習解析能量函數的方法框架。

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，顯著擴展從頭設計蛋白的結構多樣性，進而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(圖2)，它們的實際結構與設計模型一致，其中5種蛋白質具有天然蛋白質中尚未觀察到的新型拓撲結構。                    

圖2.從頭設計蛋白的高分辨晶體結構（天藍色）與設計模型（綠色）比較。

Nature雜志的審稿人認為，“與現有方法不同，現有方法要么使用參數方程來描述預定義螺旋結構的空間，要么基于片段組裝的方法依賴于已知蛋白質片段。SCUBA方法原則上允許人們探索任意主鏈結構，然后填充序列，允許人們設計比自然界中觀察到的更廣泛的蛋白質幾何結構”；“蛋白質從頭設計仍然具有挑戰性，本工作中六種不同蛋白質的高分辨率設計是一項重要成就，表明此方法工作良好”；“本研究中報道的成功設計數量之多令人印象深刻，并提供了強有力的證據，證明了基礎技術是魯棒的。所采用的基于神經網絡的能量項是新穎的，因為它們刻畫了更傳統的統計方法無法企及的多維特征，該方法具有足夠的新穎性和實用性”。

中國科大生命科學與醫學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。中國科大團隊的工作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礎。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助支持。

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