《物理世界》公佈2022年度十大突破
2022-12-14 08:44 作者：張夢然 來源：科技日報 閱覽：
12月8日，英國《物理世界》雜誌公佈了2022年度十大突破，涵蓋從量子、醫學物理學、天文學到凝聚態物質等各個方面。這十項突破是由《物理世界》編輯小組從今年該雜誌網站上發布的涵蓋物理學所有領域的數百項研究中精選出來的。中國兩個科學家團隊因超冷多原子分子研究和未來半導體發現入選。
開創超冷化學新紀元
中國科技大學的潘建偉、趙博和美國哈佛大學的約翰·道爾等科學家創造了第一個超冷多原子分子。
30多年來，儘管物理學家一直在努力將原子冷卻到接近絕對零度，並且在2000年代中期造出了第一個超冷雙原子分子，但製造包含3個或更多原子的超冷分子的目標依然很難實現。
中國科技大學和哈佛團隊使用不同且互補的技術，分別製作了220nK（納開氏度）的3原子鈉鉀分子樣品和110μK（微開氏度）的氫氧化鈉樣品。他們的成就為物理學和化學的新研究鋪平了道路，超冷化學反應的研究、量子模擬的新形式以及基礎科學的測試都得益於這些多原子分子平台，使其更容易實現。
觀察四中子
德國達姆施塔特技術大學核物理研究所的梅塔爾·杜爾和SAMURAI合作組織的成員，觀察了四中子並證明了不帶電的核物質的存在。
四中子是通過在液態氫靶上發射氦8原子核而產生的。碰撞可將一個氦8原子核分裂成一個α粒子（兩個質子和兩個中子）和一個四中子。通過檢測反衝的α粒子和氫原子核，團隊計算出這四個中子以未結合的四中子狀態存在的時間僅為10^-22秒。觀察結果的統計顯著性大於5σ，超過了粒子物理學發現的門檻。
超高效發電
美國麻省理工學院和國家可再生能源實驗室研究人員構建了效率超過40%的熱光伏（TPV）電池。
新型TPV電池是首款將紅外光轉化為電能的固態熱力發動機，比基於渦輪的發電機更有效，並且它可在各種可能的熱源下運行。該設備可成為更清潔、更環保的電網的重要組成部分，以及對可見光太陽能光伏電池的補充。
最快的光電開關
德國馬克斯·普朗克量子光學研究所和慕尼黑大學領導的國際團隊，定義和探索了物理設備中光電開關的「速度限制」 。
該團隊使用僅持續1飛秒（10^-15秒）的雷射脈衝以實現每秒運行1000萬億次（1拍赫茲）開關所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態切換為導電狀態。
打開宇宙的新窗口
美國國家航空航天局（NASA）、加拿大航天局和歐洲空間局公佈了詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝的第一張圖片。
經過多年的延誤和成本上漲，價值100億美元的JWST於2021年12月25日發射。JWST的第一張圖片是由美國總統拜登在白宮的一次特別活動中公佈的，此後還發布了許多令人眼花繚亂的圖片。
首次用於人體的FLASH質子治療
美國辛辛那提大學研究團隊致力於FAST-01試驗，以進行FLASH放療的首次臨床試驗和FLASH質子治療的首次人體使用。
FLASH放療是一種新興的治療技術，它以超高劑量率進行輻射，這種方法被認為可保護健康組織，同時仍能有效殺死癌細胞。使用質子提供超高劑量率輻射可治療位於身體深處的腫瘤。
研究表明FLASH質子療法在緩解疼痛方面與傳統放射療法一樣有效，而且不會引起意想不到的副作用。
完善光傳輸和吸收
奧地利維也納技術大學和法國雷恩大學團隊創造了一種抗反射結構，經過數學優化以匹配波從物體前表面反射的方式。將這種結構放置在隨機無序的介質前面可完全消除反射，並使物體對所有入射光波都是半透明的。
與此類似，以色列耶路撒冷希伯來大學領導的一項研究，開發了一種基於一組鏡子和透鏡的相干完美吸收器，可將入射光捕獲在空腔內。由於精確計算的干涉效應，入射光束與鏡子之間反射回來的光束髮生干涉，使反射光束幾乎完全消失。
冠軍半導體：立方砷化硼
兩個獨立的團隊——一個由美國麻省理工學院的陳剛和休斯敦大學的任志鋒領導；另一個由中國國家納米科學中心的劉新風和休斯敦大學的包吉明、任志鋒領導，發現立方砷化硼是科學界已知的最好的半導體之一。
這兩個團隊進行的實驗表明，與構成現代電子產品基礎的硅等半導體相比，該材料的小而純區域具有更高的熱導率和空穴遷移率。硅的低空穴遷移率限制了硅器件的運行速度，而其低導熱性會導致電子器件過熱。
改變小行星的軌道
NASA和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室通過成功改變小行星的軌道，首次展示了「動能撞擊」。
雙小行星重定向測試（DART）飛船於2021年11月發射，是有史以來首次執行調查小行星動力學影響的任務。DART在9月以大約6公里/秒的速度成功撞擊了小行星迪莫弗斯。幾天后，NASA證實DART成功地將迪莫弗斯的軌道週期改變了32分鐘——將其從11小時55分鐘縮短到11小時23分鐘。
檢測引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應
美國史丹佛大學研究團隊檢測了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應。
該團隊將原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質量物質發生引力相互作用。當重新組合時，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應一致的干涉。該效應可用於以非常高的精度確定牛頓的萬有引力常數。
開創超冷化學新紀元
中國科技大學的潘建偉、趙博和美國哈佛大學的約翰·道爾等科學家創造了第一個超冷多原子分子。
30多年來，儘管物理學家一直在努力將原子冷卻到接近絕對零度，並且在2000年代中期造出了第一個超冷雙原子分子，但製造包含3個或更多原子的超冷分子的目標依然很難實現。
中國科技大學和哈佛團隊使用不同且互補的技術，分別製作了220nK（納開氏度）的3原子鈉鉀分子樣品和110μK（微開氏度）的氫氧化鈉樣品。他們的成就為物理學和化學的新研究鋪平了道路，超冷化學反應的研究、量子模擬的新形式以及基礎科學的測試都得益於這些多原子分子平台，使其更容易實現。
觀察四中子
德國達姆施塔特技術大學核物理研究所的梅塔爾·杜爾和SAMURAI合作組織的成員，觀察了四中子並證明了不帶電的核物質的存在。
四中子是通過在液態氫靶上發射氦8原子核而產生的。碰撞可將一個氦8原子核分裂成一個α粒子（兩個質子和兩個中子）和一個四中子。通過檢測反衝的α粒子和氫原子核，團隊計算出這四個中子以未結合的四中子狀態存在的時間僅為10^-22秒。觀察結果的統計顯著性大於5σ，超過了粒子物理學發現的門檻。
超高效發電
美國麻省理工學院和國家可再生能源實驗室研究人員構建了效率超過40%的熱光伏（TPV）電池。
新型TPV電池是首款將紅外光轉化為電能的固態熱力發動機，比基於渦輪的發電機更有效，並且它可在各種可能的熱源下運行。該設備可成為更清潔、更環保的電網的重要組成部分，以及對可見光太陽能光伏電池的補充。
最快的光電開關
德國馬克斯·普朗克量子光學研究所和慕尼黑大學領導的國際團隊，定義和探索了物理設備中光電開關的「速度限制」 。
該團隊使用僅持續1飛秒（10^-15秒）的雷射脈衝以實現每秒運行1000萬億次（1拍赫茲）開關所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態切換為導電狀態。
打開宇宙的新窗口
美國國家航空航天局（NASA）、加拿大航天局和歐洲空間局公佈了詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝的第一張圖片。
經過多年的延誤和成本上漲，價值100億美元的JWST於2021年12月25日發射。JWST的第一張圖片是由美國總統拜登在白宮的一次特別活動中公佈的，此後還發布了許多令人眼花繚亂的圖片。
首次用於人體的FLASH質子治療
美國辛辛那提大學研究團隊致力於FAST-01試驗，以進行FLASH放療的首次臨床試驗和FLASH質子治療的首次人體使用。
FLASH放療是一種新興的治療技術，它以超高劑量率進行輻射，這種方法被認為可保護健康組織，同時仍能有效殺死癌細胞。使用質子提供超高劑量率輻射可治療位於身體深處的腫瘤。
研究表明FLASH質子療法在緩解疼痛方面與傳統放射療法一樣有效，而且不會引起意想不到的副作用。
完善光傳輸和吸收
奧地利維也納技術大學和法國雷恩大學團隊創造了一種抗反射結構，經過數學優化以匹配波從物體前表面反射的方式。將這種結構放置在隨機無序的介質前面可完全消除反射，並使物體對所有入射光波都是半透明的。
與此類似，以色列耶路撒冷希伯來大學領導的一項研究，開發了一種基於一組鏡子和透鏡的相干完美吸收器，可將入射光捕獲在空腔內。由於精確計算的干涉效應，入射光束與鏡子之間反射回來的光束髮生干涉，使反射光束幾乎完全消失。
冠軍半導體：立方砷化硼
兩個獨立的團隊——一個由美國麻省理工學院的陳剛和休斯敦大學的任志鋒領導；另一個由中國國家納米科學中心的劉新風和休斯敦大學的包吉明、任志鋒領導，發現立方砷化硼是科學界已知的最好的半導體之一。
這兩個團隊進行的實驗表明，與構成現代電子產品基礎的硅等半導體相比，該材料的小而純區域具有更高的熱導率和空穴遷移率。硅的低空穴遷移率限制了硅器件的運行速度，而其低導熱性會導致電子器件過熱。
改變小行星的軌道
NASA和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室通過成功改變小行星的軌道，首次展示了「動能撞擊」。
雙小行星重定向測試（DART）飛船於2021年11月發射，是有史以來首次執行調查小行星動力學影響的任務。DART在9月以大約6公里/秒的速度成功撞擊了小行星迪莫弗斯。幾天后，NASA證實DART成功地將迪莫弗斯的軌道週期改變了32分鐘——將其從11小時55分鐘縮短到11小時23分鐘。
檢測引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應
美國史丹佛大學研究團隊檢測了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應。
該團隊將原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質量物質發生引力相互作用。當重新組合時，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應一致的干涉。該效應可用於以非常高的精度確定牛頓的萬有引力常數。
