分子动力学研究F_1-ATP合酶对三磷酸腺苷的稳定和定位作用（英文）

F1-ATP合酶通过与ATP之间建立广泛的相互作用,实现对ATP的位置进行精确的定位.这些相互作用为ATP的合成/水解创造了稳定的环境.理解这些相互作用是理解ATP的合成/水解机理的基础.我们通过分子动力学模拟方法研究这些相互作用,找出在稳定化过程中起到重要作用的残基.通过检测ATP和F1-ATP合酶之间的非键相互作用,发现残基段158–164所形成的loop区域及残基R189,Y345对ATP存在显著相互作用.其中,该loop区域对ATP的三磷酸部分形成一个半包围结构,封闭活性位点区域,并通过氢键网络约束ATP三磷酸的运动,为ATP合成/水解创造稳定的环境.此外,关键残基Y345通过π–π叠加相互作用对ATP的碱基进行约束,但是ATP的碱基可以在平行于Y345芳香环的平面内进行滑动,我们推断这种滑动运动有利于促进ATP的水解.

单摆混沌现象的研究

利用MATLAB软件强大的数值计算功能,使用龙格库塔法严格求解无阻尼单摆和有阻尼单摆的运动方程,研究单摆摆长、阻尼系数和初始摆角对单摆运动的影响.研究结果表明:单摆的周期与初始摆角有关,单摆周期随初始摆角的增大而增大;当两种单摆的参数取值处于某些范围时,均能出现混沌现象;阻尼单摆在正阻尼条件下演化出随机吸引子,在负阻尼条件下演化出随机排斥子.通过计算不同参数值的单摆方程,发现单摆的运动对初始摆角、阻尼系数有很强的依赖性.最后提出了一种衡量混沌系统敏感性的量化指标——敏感系数,计算结果表明,初始摆角、单摆摆长、阻尼系数均能影响单摆的敏感系数.

H(z)数据对相互作用暗能量模型的观测研究

结合最新的哈勃参量H(z)观测数据、重子声学振荡(BAO)数据与普朗克卫星观测得到的宇宙微波背景辐射(CMB)数据,利用马尔柯夫链蒙特卡洛算法(MCMC)对一种相互作用暗能量模型进行了观测限制.这3种数据联合限制得到的各参数的最佳拟合值及1σ误差范围分别为:物质能量密度参数?m=0.266+0.028-0.028,相互作用因子γ=0.090+0.100-0.098,暗能量状态方程参数wX=-1.307+0.263-0.269,哈勃常数H0=74.20+4.66-4.56.相互作用耦合参数γ>0表明能量正在从暗物质转移到暗能量.然而,宇宙学常数模型中的巧合性问题在1σ误差范围内依然可以轻微缓解.为了更好地做出比较,还利用BAO+CMB组合数据及单独的H(z)数据对该模型进行了考察,得到的结果如下:(1)H(z)数据能对相互作用参数γ给出更好的限制结果;(2)ΛCDM模型仍然是与观测数据符合得最好的模型,耦合参数γ与其它模型参数(?m,H0)相互关联;(3)在考虑了暗能量与暗物质间的相互作用之后,超新星局域距离阶梯测量与普朗克观测对H0限制结果的冲突问题能够得到一定程度的缓解.

变形的一维半满t-J_⊥-J_z-V模型的量子相图研究（英文）

借助于变形玻色算符手段、费米-玻色转化技术及重整化技术,研究了在依赖自旋的最近邻磁交换作用下,一维半满t-J扩展模型（t-J⊥-Jz-V）的弱耦合量子相图.相图显示,来自最近邻格点间各向向异性自旋交换作用（J⊥-Jz）和库仑斥力作用（V）的相互竞争使得此扩展模型基态总呈现绝缘密度波的关联行为,并且此模型量子相图的拓扑结构可通过特征参数（V/tδ^2）c=4/π来刻画,这里参数δ∈（0,1]表征玻色算符形变程度.一旦甩掉作用V（较弱的库仑作用,以致可略去）,此模型基态则会呈现绝缘相向金属相间的转变.有望此结果能为理解一维强关联t-J系统及其扩展提供了一种图景和参考.

超重核性质与合成机制的理论研究

探索原子核的电荷与质量极限,合成长寿命超重核是当前原子核物理研究的重要前沿问题之一。本文综述了我们近几年在超重原子核结构性质与合成机制方面取得的理论研究进展。在结构性质方面,利用处理对关联的粒子数守恒方法,基于推转壳模型,系统研究了锕系核与超镄核低激发谱,发展了多维形状约束的协变密度泛函理论并用于研究锕系核势能面和裂变位垒以及N=150同中子素中的非轴对称八极关联等。在超重核合成机制方面,系统研究了利用重离子熔合反应合成超重核的三步过程,包括俘获过程——提出了一个位垒穿透概率新公式、熔合过程——提出了一个基于动力学形变势能面的双核模型、存活过程——系统研究了激发态超重复合核存活概率等。系统研究了合成超重核的热熔合反应,得到的熔合蒸发截面与实验符合,并预言了合成119和120号超重元素的生成截面。

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。

碱基对在DNA双螺旋链上分离的自由能计算（英文）

DNA是大部分生物包括病毒的基因载体。DNA双螺旋链通过A=T和G≡C两种碱基对编码实现对遗传信息的存储。碱基对中的相互作用对DNA双螺旋链的稳定性起到重要作用,直接关系到基因的复制和转录。当前研究中,我们构建了四组不同结构的DNA双螺旋链,进行了总共4.3μs的分子动力学模拟。通过伞形取样技术计算了DNA双螺旋链中碱基对分离的自由能曲线,并从分子尺度细节和相互作用能对自由能曲线进行解析。在碱基对G≡C的自由能曲线(PMF-PGC)上观察到三个峰,通过监测氢键数目的变化发现分别对应于G≡C三个氢键的断裂;而在A=T的自由能曲线(PMF-PAT)上只出现一个峰,说明A=T的两个氢键在分离过程中几乎同时断裂。PMF-PGC的总能垒比PMF-PAT高,主要是因为G≡C比A=T多一个氢键,更稳定。两条曲线的后段自由能仍然升高,而此时碱基对的氢键已断裂,这是DNA链骨架刚性所导致。我们还研究了碱基对稳定性受相邻碱基对的影响,发现邻近G≡C碱基对会增强A=T的稳定性,C≡G会削弱A=T的稳定性,T=A对A=T的影响较小。

双层石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应（英文）

本文研究了磁场作用下双层石墨烯中的拓扑相.当考虑内禀自旋轨道耦合时,系统中出现许多拓扑相,通过调节双层石墨烯的层间电压和费米能可以实现拓扑相变.另外,还研究了时间反演对称性破缺的自旋霍尔效应的稳定性,发现它对于对称性破缺的扰动是非常稳定的.在内禀自旋轨道耦合和塞曼劈裂共同作用下,当塞曼劈裂很强时,自旋霍尔态会被破坏而自旋过滤的霍尔态将依然保持.这些研究结果在自旋电子器件方面有着巨大的潜在应用价值.

依赖自旋的一维半满扩展Hubbard模型的基态相图演化（英文）

在场论的框架下,利用费米–玻色转化技术及重整化技术,研究了在弱耦合条件下,依赖自旋的最近邻相互作用下的一维半满Hubbard(U-V⊥-V||)扩展模型基态的相图演化行为.结果显示,随着相对偏离参数δ的增大,基态相图中的SDW±关联和SDWz关联分别增强;然而bd-SDW±关联和CDW关联依次减弱.这意味着,依赖自旋的最近邻相互作用在多电子系统中可能是真实的,它的存在为理解一维强关联系统中绝缘相(CDW,SDW±,z和bdSDW±,z)的竞争提供了一种图景和参考.

随机派系生长网络模型及其传输能力研究

本文提出一种基于随机选择的派系生长网络模型,该网络从一个a-派系模体开始,每个时间步t,在网络中随机选择m个节点构建一个新的a-派系,由此网络生长演化.模拟研究表明:该网络具有高的聚类系数和短的平均路径长度是一个小世界网络,并且比值ρ=m/a越小,聚类系数越大.而度分布则呈指数分布,这些特征与许多交通系统的复杂网络的实证研究结果相符.该网络的聚类系数与节点度呈幂律变化,显示网络具有模块化层次结构的特征,这一特征与近年来人们研究的大多数复杂网络具有模块化层次结构特征的实证研究结果相符.我们还研究了该网络的传输能力,研究表明该网络的传输能力随着比值ρ=m/a的减小而增大.这些研究结果对城市公共交通网络的构建具有一定的指导意义.

随机派系网络的渗流相变研究

现实的复杂网络往往具有小世界特征和模块化层次结构,随机派系(Clique)网络不仅有高的聚类系数和短的平均路径长度(小世界特征),而且具有模块化层次结构,可以较好地描述现实世界中许多复杂网络的结构特征.本文采用蒙特卡罗模拟方法和临界现象有限尺度标度理论对该网络的渗流相变进行了研究.在网络的演化过程中,其最大团簇单时间步的最大尺度跳跃及对应的时间步可以用来确立临界行为和临界点.我们的模拟研究表明:随机派系网络的渗流相变都为连续相变,不同派系大小k的相变点发生的时间步不同,但约化边数相同;网络最大团簇的最大尺度跳跃?与网络大小N呈幂律关系,幂指数对应于渗流相变的序参量临界指数,且不随派系大小k变化;与?相关的另外三个临界指数也不随k值变化,与ER随机网络的临界指数相等.这些结果表明随机派系网络的渗流相变与ER网络渗流相变同属一个普适类.我们的研究加深了对复杂网络模块化层次结构产生机理的认识,有助于进一步认识复杂网络的渗流相变.

电子-离子对撞机上开展核子及其激发态研究的建议

核子及其激发态性质研究一直是中高能核物理的一个重要研究领域。然而,到目前为止,对核子及其激发态内部结构的了解还处在初级阶段。首先介绍了核子及其激发态研究现状,指出了三夸克模型在描述核子特别是核子激发态内部结构方面存在很大的缺陷。为解决传统三夸克模型的不足,有一种新的观点认为虽然独立的五夸克态不存在,但是核子及其共振态中存在可观的五夸克激发。这种五夸克图像提供了一个描述核子内部结构的新见解,给出了与经典三夸克图像相当不同的核子激发态谱预言,还有待实验检验。目前国内外正在论证的电子–离子对撞机(EIC)将是研究核子结构下一代最重要的加速器装置,被视为"超级电子显微镜"。由于EIC有较高的能量和亮度,特别是低本底等优势,可以开展核子及其激发态性质的研究以及新强子态研究。

标量介子f_0(980)光生过程γp→pf_0(980)的研究

轻标量介子性质研究是当今中高能核物理研究中的热点问题之一,特别是质量低于1 Ge V的标量介子f_0(980)的内部结构一直存在争议,至今未达成共识。基于前人的研究结果,运用有效拉氏量方法,对f_0(980)粒子的光生过程γp→pf_0(980)进行了更深入的理论研究。探讨了两种传播子形式下得矢量介子ρ和ω交换的贡献,第一种是选择雷吉传播子,第二种是选择普通费曼传播子。第二种形式的微分散射截面理论结果与现有实验数据符合比第一种形式的结果好。基于此,计算了两种形式的总截面,两种形式给出的理论结果相差很大。另外,给出了γp→pf_0(980)→pπ+π-过程的π+π-不变质量分布的理论预言,发现π+π-不变质量分布对于f_0(980)于KˉK的耦合常数(gf_0KˉK)有很强的依赖关系,不同的gf_0KˉK给出明显不同的π+π-不变质量分布。将来相关实验数据可以验证这些理论预言,并对矢量介子传播子形式和耦合常数gf_0KˉK做出限制,加深人们对f_0(980)粒子的认识。

基于混合液晶分子动力学模拟比较液晶分子旋转黏度大小

提高液晶波前校正器的响应速度是增加液晶自适应光学系统校正带宽的关键,而研究设计低旋转黏度的液晶分子是提高液晶波前校正器响应速度的根本方法.利用原子水平上的分子动力学方法获得了目标分子的液相、向列相以及近晶相,给出了理论计算液晶分子序参数以及旋转黏度的方法.与此同时,结合实验方法,提出利用混合液晶分子动力学模拟来比较液晶分子旋转黏度的大小,通过多次模拟、多起始点数据处理最大限度消除了因边界尺寸效应带来的数据波动,最后给出了两种高性能液晶分子的具体比较结果.这种分子动力学模拟方法能够探查分子结构细微差别对液晶相态以及旋转黏度的影响,为设计低旋转黏度的液晶分子提供了理论支持,必将为快速响应液晶材料的设计提供帮助.

超重原子核与超重元素

研究超重原子核和超重元素,探索原子核的电荷和质量极限,是重要的科学前沿领域。超重原子核的存在源于量子效应。上个世纪60年代,理论预言存在一个以质子数114和中子数184为中心的超重稳定岛,这极大地促进了重离子加速器及相关探测设备的建造和重离子物理的发展。到目前为止,实验室合成了118号及之前的超重元素。其中116号、114号和113号以下的新元素已被命名。利用重离子熔合反应合成更重的超重元素还面临着很多挑战,需要理论与实验密切结合,探索超重原子核性质与合成机制,以登上超重稳定岛。文章概要介绍了超重原子核和超重元素的研究背景、实验进展以及面临的挑战,并展望了未来的发展。

费米海与狄拉克海中的单粒子态--从球形核狄拉克方程说起

在原子核的协变密度泛函理论中,核子的运动方程——狄拉克方程是核心内容之一.本评述结合球形核中核子狄拉克方程的数值求解,讨论费米海与狄拉克海中单粒子态及若干相关的物理问题.首先以打靶法为例较为详细地介绍在坐标空间中求解狄拉克方程的过程,以伍兹-萨克森基(包括薛定谔-伍兹-萨克森基和狄拉克-伍兹-萨克森基)展开方法为例介绍在基空间中狄拉克方程的求解方法.完备性的条件要求狄拉克-伍兹-萨克森基空间不仅要包括费米海中的正能量态,而且要包括狄拉克海中的负能量态.因此,需要把单粒子态的研究从正能量态拓展到负能量态.结合负能量态的研究,介绍与这些负能量态对应的反核子谱中存在的自旋对称性及其起源.

生成超重核的熔合反应中的动力学形变效应

利用包含动力学势能面的双核模型对超重核的生成机制中的一些问题进行了研究。对双核系统的粒子交换势能面进行的计算结果表明,反应过程中原子核动力学形变对于粒子交换势能面的结构有显著的影响。进一步计算了生成超重核的熔合几率,结果显示,原子核的动力学形变导致内熔合位垒升高,进而明显降低了生成超重核的熔合几率。

用于轴对称的两级光学聚光器的非成像二次反射镜

本文给出了一种用于轴对称的两级光学聚光器的非成像二次反射镜(non-imaging secondary,NIS),的工作原理.在一般的情况下,NIS是由并不限于常用的二次曲线或复合抛物线的高次曲线围绕一次反射镜的中心轴旋转而形成.本文讨论了确定这样一种曲线的待定系数的求解方法.在举例的计算中,除了运用常用的二次曲线,还特别运用了光学中至今从未用过的三次方曲线,用以说明NIS可以由一般的高次曲线给出.作为一个特例,我们也讨论了新的光学元件在太阳能聚光方面的应用,在这些应用中,本文着重讨论了NIS在太阳光的盘面效应的影响下的聚光效果.

奇异夸克物质：从奇异子到奇异星

奇异夸克物质是量子色动力学预言的一种新型物质,由数量大致相同的u,d,s夸克和少量的电子组成.在20世纪七八十年代,Witten和Bodmer等人推测奇异夸克物质可能是强相互作用的真正基态.如果这个推测成立,那么必然存在由奇异夸克物质组成的集团结构,如奇异子和奇异星等.本文介绍奇异夸克物质的研究背景,在此基础之上,探讨奇异子和奇异星理论研究和实验探索的进展.为了更准确地描述奇异夸克物质集团的性质,本文应用夸克集团统一模型研究了从奇异子到奇异星各类不同大小的奇异夸克物质集团.发现奇异夸克物质集团的平均重子能量随重子数的增大而减小,并且其夸克核心部分的比电荷比之前理论计算得到的数值大.在核心表面处,还存在带负电粒子的一个电势阱,有可能为奇异夸克物质的探测提供新的线索.对于旋转的奇异星,由带电夸克核心转动所产生的磁场接近于脉冲星的磁场强度.

度规的量子涨落对宇宙演化的影响

修改引力最一般的方法,是考虑用里奇标量的一般函数代替爱因斯坦-海森伯作用量,也即f(R)理论.本文即根据海森伯的度规非微扰量子化方法,提出了一种新的修改引力理论,即把度规算符分解为经典部分和量子涨落部分,得到修改引力的场方程和守恒方程.应用到Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker时空,得到修改的弗雷德曼方程.由于度规的量子涨落,在一定条件下,可以实现反弹宇宙;或者在暗能量主导的时期,宇宙的膨胀速度也可能减慢,并根据物理条件,对相关参数进行了必要的限制.我们不仅分析了度规的量子涨落对辐射和尘埃演化时期的影响,而且还给出了量子涨落对暴涨参数——如慢滚参数、光谱指数和原初曲率扰动谱的修正.