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物理学院接连在《物理评论快报》发表两项重要研究成果
发布时间:2022-03-24 16:19  作者:  来源:物理科学与技术学院  阅读:

新闻网讯(通讯员吴轩)物理科学与技术学院邱春印教授、谭志杰教授近日相继在国际著名物理学术期刊Physical Review Letters(《物理评论快报》)发表重要学术论文。

邱春印教授关于拓扑声子晶体研究新进展的论文题目为“Acoustic Möbius Insulators from Projective Symmetry”(《源于投影对称性的声学莫比乌斯绝缘体》),武汉大学为论文第一署名单位,物理科学与技术学院研究生李天梓、杜娟以及博士后张起成为论文共同第一作者,物理学院邱春印教授、美国UT Dallas大学张帆教授为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金委重大项目、万人计划“青年拔尖人才”项目等基金资助。

不同物相的发现和分类是物理学中反复出现的一个主题。在这方面,对称性和拓扑结构起重要作用。拓扑绝缘体的发现是一个典型案例。在著名的Altland-Zirnbauer对称类(包括时间反演、粒子-空穴及手征对称)十次拓扑分类之后,拓扑分类被推广到具有空间对称性的系统。最近,根据晶体对称性标记或拓扑量子化学理论,在无机晶体结构数据库中对拓扑材料进行了高通量筛选,并确定了数千种候选材料。因此,拓扑晶相的列表和分类似乎已经完备和终结。

该研究用平移对称性举例说明,在存在规范对称性时,晶体对称性的代数结构需要投影表示,从而产生新的拓扑能带物理。首先,这项工作从理论上构造了各种二维和三维、有间隙和无间隙的拓扑相,其特征是受投影平移对称性保护的莫比乌斯边界态(边界谱在动量空间中缠绕和扭曲)。然后,首次实验实现了二维一阶莫比乌斯绝缘体和三维高阶莫比乌斯绝缘体。特别地,该工作不仅通过观察空间、动量和能量域中的一维莫比乌斯边界态或棱态,而且通过揭示投影平移特征值的缠绕,在相位域中为投影莫比乌斯拓扑提供了令人信服的证据。该发现阐明了规范对称性和晶体对称性之间的重要相互作用,为植根于投影对称性的拓扑能带物理提供了一个框架,因为规范对称性在人工晶体和相互作用系统中都是常见且丰富的。

图:实验实现二维声学莫比乌斯绝缘体。(a)实验样品;(b)实验测量的体带结构;(c),(d):实空间声场分布。(e),(f):边缘态及平移算符本征值的实验测量

该研究不仅为规范对称性和晶体对称性相互作用下的人工晶体系统开辟了一条新的途径,而且还从射影对称性出发,为拓扑物理建立了一个新框架。这项工作被Phys.Rev.Lett.选为编辑推荐(Editors’Suggestion),并被国际同行发表专题亮点报道(Viewpoint:Acoustic crystal with a Möbius twist)。

全文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.116803

亮点报道链接:

https://physics.aps.org/articles/v15/36

谭志杰教授关于核酸力学性质研究新进展的论文题为“Multivalent Cations Reverse the Twist-Stretch Coupling of RNA”(《高价离子反转RNA扭转-拉伸耦合特性》),与生命科学学院张兴华教授合作完成,武汉大学物理科学与技术学院为论文第一署名单位,谭志杰教授、张兴华教授和香港城市大学代亮教授为本文通讯作者。

图:该文提出的DNA与RNA扭转-拉伸耦合特性的统一机制。(a)拉伸引起的两种形变路径:旋紧和旋松。(b)DNA和RNA在不同具体情形下的扭曲-拉伸耦合,其中b3为该文的新发现。

核酸的结构变化在DNA的复制、转录、翻译以及与蛋白质的结合等诸多生物过程中发挥着重要作用。在核酸分子结构变化过程中,核酸不同维度结构变化间会存在内禀耦合特性,如扭转-拉伸耦合,即核酸分子在伸长的过程中会伴随着扭转的变化。人们于2006年发现了DNA反常扭转-拉伸耦合特性并于2014年发现了RNA与DNA的扭转-拉伸特性反向这一令人费解的现象,但迄今为止仍然缺乏关于DNA与RNA扭转-拉伸耦合的统一物理图像。

在该工作中,作者通过结合分子动力学模拟和单分子磁镊技术,发现高价离子如CoHex3+和Mg2+可以反转RNA的扭转-拉伸耦合而无法反转DNA的扭转-拉伸耦合。文中指出,此效应来自于高价离子对RNA和DNA显著不同的结合模式:结合在RNA大沟的高价离子形成离子钳进而导致了RNA扭转-拉伸耦合的反转。结合前人拉伸导致的DNA扭转-拉伸耦合反转的报道,本文进一步给出了DNA和RNA统一的扭转-拉伸耦合图像。当DNA和RNA被拉伸时,会存在两种相互竞争的形变路径:半径的减小导致正的扭转-拉伸耦合和大沟宽度的增加导致负的扭转-拉伸耦合。对于大沟被高价离子钳住的RNA和标准DNA,它们在拉伸时半径减小从而表现为正的扭转-拉伸耦合,而对于拉伸到半径无法继续减小的DNA和标准RNA,拉伸时其大沟宽度增加从而导致正的扭转-拉伸耦合。

该工作是谭志杰教授与张兴华教授作为通讯作者于2020年在《物理评论快报》上发表的论文(PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 058101, 2020)的后续重要成果,丰富了对DNA和RNA力学弹性的认识,有助于理解RNA和DNA的生物学功能并有助于合理地人工控制基于RNA和DNA的纳米结构。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

全文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.108103

(编辑:陈丽霞)

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