│探究 Yb2Ti2O7 從磁性庫侖液體態到磁單極凝聚的希格斯相變│

成功大學物理系張烈錚博士及本中心科學研究組崔

古鼎博士與國際研究團隊共同合作，發表了在「量子自

旋冰」(quantum spin ice)的材料 Yb2Ti2O7中，觀察到

第一個實驗證據，描述從不穩定磁單極在其中移動的磁

性庫侖液體態，到磁單極凝聚而成的鐵磁體的希格斯相

變 (Higgs transition)。研究實驗由張烈錚教授和擴散散射譜儀儀器科學家蘇夷希博士利用中子於德國 FRM-II反應爐進行，通過冷卻 Yb2Ti2O7 到 0.21 K (-272.94 0C)，研究團隊觀察到從帶有不穩定磁單極的態，相變到由穩

定的磁單極凝聚所組成的鐵磁態，即磁單極希格斯相變。

這意味著這個特殊的鐵磁態可視為一個磁單極的超導狀

態，將帶有無耗散的磁單極電流。實驗觀察的結果可以

用量子自旋冰的微觀理論來解釋，並確定希格斯相變溫

度為 0.21 K。此研究亦使用 BL07A1光束線。(部份實驗差旅經費由國科會台灣中子散射實驗設施之應用推廣

及用戶培育計畫補助 )

參考文獻：

L.-J. Chang, S. Onoda, Y. Su, Y.-J. Kao, K.-D. Tsuei, Y. Yasui, K. Kakurai, and M. R. Lees," Higgs Transition from a Magnetic Coulomb Liquid to a Ferromagnet in Yb2Ti2O7" , Nat. Commun. 3, 992 (2012).

(a)

(b)

(c)

☉ 圖 (a)為量子自旋冰的相圖。圖 (b)和圖(c)分別為量子自旋冰 Yb2Ti2O7 和 自 旋

冰 Ho2Ti2O7 的中子

擴散散射圖，圖中可

以明顯看出前者具有

沿徑方向山脊結構的

差異。

研究成果 7

研究成果

│鈷成長在氧化鋅 (10-10)表面的結構和化學態之研究│

成功大學物理系黃榮俊教授的研究團隊，利用掃描

穿隧顯微鏡 (STM)、反射式高能電子繞射 (RHEED)、光電子能譜 (XPS 以及 UPS) 等實驗技術，以研究鈷成長在氧化鋅 (10-10) 表面的磊晶成長結構和化學態的變化。當鈷覆蓋厚度為 0.5 原子層 (ML) 時，表面是以氧化鈷 CoOx(2×1) 結構成長；當鈷覆蓋厚度從 0.7 ML變化到 1 ML 時，表面呈現條紋結構；在鈷覆蓋厚度超過 3 ML 之後，表面則轉變為金屬鈷團簇的成長。由鈷元素的化學態隨著厚度變化的量測顯示，覆蓋厚度為次

單層時氧化鈷和金屬鈷狀態混和共存，隨著覆蓋厚度持

續增加，氧化鈷狀態逐漸轉移到金屬鈷為主的狀態。此

研究使用 BL09A2 光束線。

參考文獻：

S. H. Su, J. H. Lai, H.-H. Chen, T.-H. Lee, Y.-J. Hsu,R. L. Wang, and J. C. A. Huang, "Elucidating the Structure and Chemical State of Co Growth on the ZnO(101 0) Surface", J. Phys. Chem. C 116, 9917 (2012).

☉ 圖 (a)為 Co 2p隨著覆蓋厚度變化的 XPS能譜：實線為氧化鈷狀態，虛線為金屬鈷狀態。圖 (b)為 Co 2p覆蓋厚度變化從 0.5 ML到 1 ML的 XPS能譜：黑點為實驗值、曲線 A表示金屬鈷狀態、曲線 B表示氧化鈷狀態、曲線 C表示鈷更高階的氧化狀態、曲線 D是氧化鈷狀態的衛星峰和紅線代表總擬和曲線。

研究成果8

│氧分子在三核銅金屬簇的活化以進行便捷的有

機基質之氧化反應│

該研究計畫的主要目的是為落實發展新型三核銅

簇觸媒，從事有機基質 ( 如甲烷 ) 的活化，當此觸媒被氧氣活化後，即可以有效地將氧原子轉化到有機基質

上。中央研究院化學所陳長謙院士的研究團隊利用三

核單價數的銅簇進行研究，首先被氧氣活化形成 ( 二、二、三混價 ) 三核銅簇氧化物，此三核銅簇氧化物可以有效地牽制一個具有高活性的單態氧原子，並且能在有

機分子 ( 如甲烷 ) 靠近時，此單態氧原子能高效率地直接嵌入甲烷分子中的 C−H 鍵中，形成甲醇。該研究成果鑑定出這些反應過程中的三核銅錯合物中間體，將應

用適當的還原劑快速地轉換三核單價數的銅簇，以進行

有效率的有機基質 ( 如甲烷 ) 之催化反應。此研究使用BL17C1 光束線。

參考文獻：

S. Maji, J. C.-M. Lee, Y.-J. Lu, C.-L. Chen, M.-C. Hung, P. P.-Y. Chen, S. S.-F. Yu, and S. I. Chan, "Dioxygen Activation of a Trinuclear CuICuICuI Cluster Capable of Mediating Facile Oxidation of Organic Substrates: Competition between O-atom Transfer and Abortive Intercomplex Reduction", Chem.-Eur. J. 18, 3955 (2012).

│利用陽離子尺寸錯位效應調控氮氧化物螢光粉

之螢光放射│

現階段調控螢光粉螢光放射光譜波長之方法，以

調整稀土金屬之含量或改變主體晶格中稀土金屬離子

所佔據陽離子之種類為主，而摻雜不同陰陽離子進而

改變放射波長之機制，則鮮少有文獻探討。台灣大學

化學系劉如熹教授、本中心許火順博士與英國愛丁堡

大學化學系 J. Paul Attfield 教授之研究團隊合作，以M1.95Si5-xAlxN8-xOx:Eu0.05 (M = Ba, Sr, Ca) 系列螢光粉為模型，利用 X 光及中子繞射之結果提出陽離子尺寸錯位效應，此可解釋於 Ba 與 Sr 系列樣品隨 Al/O 添加量增加之藍位移與 Ca 系列樣品之紅位移現象。同時，此機制也廣泛適用於解釋 perovskite 類型之 BaTaO2N−SrTaO2N 固態溶液與 CaTaO2N−LaTaON2 紅黃染料變

化現象；zigzag TaN 鏈亦可利用陽離子錯位之應力機制加以解釋。此研究使用 BL01C2 光束線。

參考文獻：

W. T. Chen, H. S. Sheu, R. S. Liu and J. P. Attfi eld, "Cation-size-mismatch Tuning of Photoluminescence in Oxynitride Phosphors", J. Am. Chem. Soc. 134, 8022 (2012).

☉ 由低溫氧分子活化單價三核銅金屬簇鑑定出之氧化中間體，有助於了解利用這種仿生催化劑，從事有機基質的

轉化。

☉ M1.95Si5-xAlxN8-xOx:Eu0.05 (M = Ba, Sr, Ca)系列螢光粉之陽離子尺寸錯位效應。

│金黃色葡萄球菌之穿膜轉醣酶與受質類似物之

結構│

保護細菌外形的肽聚醣是由細菌的轉胜肽酶

(transpeptidase)與轉醣酶 (transglycosylase)所合成，所以用來抑制這兩個酵素的物質即可以用來抑制細菌的

生長，其中轉醣酶比較少曝露在抗生素的環境中，並且

轉醣酶的酵素活性區域都維持相似沒有突變的狀態，故

使得轉醣酶變成目前新一代設計與開發抗生素的新標

的。中央研究院基因體研究中心馬徹博士的研究團隊，

以金黃色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 的單功能轉醣酶 (monofunctional glycosyltransferase, MGT)為研究對象，利用 X光繞射的實驗技術，解析構築出單功能轉醣酶和受質類似物 (lipid II analog)的複合結構。研究結果顯示，單功能轉醣酶和受質類似物形成氫鍵的胺

基酸位點，在抗藥性細菌很保守，而且對 TG活性也很重要。研究團隊再利用單功能轉醣酶和受質類似物 (lipid II analog) 的複合結構，結合單功能轉醣酶和抑制物(moenomycin)的複合結構，提出新的肽聚醣合成機制，並且此複合物結構亦可做為未來抗生素設計的藍圖。此

研究使用 BL13B1、BL13C1和 SP44XU光束線。

參考文獻：

C.-Y. Huang, H.-W. Shiha, L.-Y. Lin, Y.-W. Tien, T.-J. R. Cheng, W.-C. Cheng, C.-H. Wong, and Che Ma, "Crystal structure of Staphylococcus aureus transglycosylase in complex with a lipid II analog and elucidation of peptidoglycan synthesis mechanism",Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 6496 (2012).

研究成果 9

│莫諾黴素第一步合成反應的酶蛋白晶體結構解

析及催化機制│

莫諾黴素 (Moenomycin)是一種磷酸糖脂類抗生素，它能夠抑制肽聚糖合成通路中糖基轉移酶的活性，阻止

細菌細胞壁的合成，從而達到抑菌效果。莫諾黴素合成

的第一步反應是由 MoeO5催化的，它能夠將法尼基焦磷酸 (FPP)中的 15碳單位轉移到 3-磷酸甘油酸 (3PG)的 2位羥基上。中國科學院天津工業生物技術研究所郭瑞庭教授的實驗室和美國伊利諾大學 (UIUC)、以及中央研究院生化所王惠鈞教授、梁博煌教授和柯子平博士等

數個實驗室合作，獲得了 MoeO5的酶蛋白結構以及與受質、產物的複合體結構。MoeO5屬於最新發現的一類異戊二烯轉移酶，這類酶採用了 TIM-barrel的構型，MoeO5與同家族的其它酶不同之處為其能將反式的底物(FPP)轉化成順式的產物 (FPG)，且與同家族的其它酶相比，MoeO5的 λ3 loop多了 4個氨基酸的長度，這樣FPP的尾部不像其它酶的底物那麼直著延伸下去，而是形成一個U型彎，這樣的結合將有利於順式產物的形成。此研究使用 BL13B1和 BL13C1光束線。

參考文獻：

F. Ren, T.-P. Ko, X. Feng, C.-H. Huang, H.-C. Chan, Y. Hu, K. Wang, Y. Ma, P.-H. Liang, A. H.-J. Wang, E. Oldfi eld, and R.-T. Guo, "Insights into the Mechanism of the Antibiotic-synthesizing Enzyme MoeO5 from Crystal Structures of Different Complexes", Angew. Chem. Int. Edit. 51, 4157 (2012).

☉ 單功能轉醣酶 (MGT)和受質類似物 (lipid II analog)的複合結構：(a) 受質 (lipid II)與受質類似物 (lipid II analog: analog 3)的結構。(b) 單功能轉醣酶 (MGT)和受質類似物 (lipid II analog: analog 3)的複合結構。

(a) (b)

☉ 上圖為解析的 MoeO5晶體結構及所催化的反應。