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2020年度物理学十大突破揭晓

来源:世界科学

《物理世界》(Physics World)网站年度十大科研突破是由该网站5位编辑从其2020年发布的数百项研究中筛选而来。

除了在2020年被《物理世界》报道之外,入选文章还需符合以下标准:

在知识或科学理解方面取得重大进步;对科学进步及实际应用有重要影响;《物理世界》读者的感兴趣的程度。

以下是2020年《物理世界》十大科研突破入选名单,排名不分先后。

给量子测量过程拍快照

瑞典斯德哥尔摩大学马尔库斯·海因里希(Markus Hennrich)等人,以及德国锡根大学、西班牙巴斯克及塞维利亚地区的研究者,运用一系列“弱”测量(获2011年《物理世界》科研突破奖)探测量子力学中叠加态坍缩的本质。虽然测量操作通常会导致量子系统变成确定的经典状态,但海因里希等人的工作表明,某些测量不会摧毁全部量子信息。这个团队在以单个锶离子为对象展开的实验中拍摄了一系列“快照”,结果表明,测量不是瞬间把量子叠加态变成经典状态的,而是逐步做到这点的。因为从原理上说,弱测量过程中能够做到在不破坏量子态的前提下,探测这些状态的误差,所以这项工作或许有助于改善量子计算机的误差校正能力。

发现庞大镜体的量子相关性

麻省理工学院于浩村(Haocun Yu)和李·迈克库勒(Lee McCuller)以及LIGO(激光干涉引力波天文台)科学合作团队的成员证明了量子尺度相关性可以在重达数十千克的宏观物体上留下痕迹。他们研究了LIGO干涉仪发出的激光束与其镜体(每个镜体都重达40千克)之间的细微相互作用。研究人员观察到,镜体因为辐射噪声而移动,这正是海森堡不确定性原理导致的结果。他们在使用激光的压缩真空态时,证明了量子噪声会下降到标准量子极限之下,这证明了激光束和镜体之间的量子相关性。这项研究可以提升LIGO、Virgo(室女座干涉仪)以及未来建造的天文台对引力波的观测能力。

Borexino在核聚变循环中探测到了太阳中微子

Borexino合作团队在太阳的碳-氮-氧循环(CNO循环)中探测到了中微子。这个团队首先花了大力气把Borexino探测器的本底辐射影响降到了最低——Borexino探测器位于意大利格兰萨索山深处,由278吨极纯液态闪烁体构成。这个观测结果证实了最早在80年前提出的一个恒星核合成理论,同时也能激励物理学家使用下一代中微子探测器解决太阳的“金属丰度之谜”——一个有关恒星内部碳、氮、氧丰度的问题。

首次发现铁电向列相液晶

美国科罗拉多大学博尔德分校的诺尔·克拉克(Noel Clark)及该校和犹他大学的同行在液晶中发现了铁电向列相。早在100多年前,人们就预言铁电向列相液晶存在,今年终于得到了证实。在这种相中,液晶特定团块或区域内的所有分子都指向大致相同的方向——这种现象就是极性排序,早在1910年代,彼得·德拜(Peter Debye)和马克斯·玻恩(Max Born)就提出了相关假说。克拉克等人发现,当他们在一种名叫RM734的有机分子上施加弱电场时,包含液晶的细胞边缘会出现一系列明亮的颜色。事实证明,相比传统向列相液晶,铁电向列相RM734对电场要敏感得多。虽然我们还需要进一步认证能在室温环境下表现出这种现象的物质,但铁电向列相物质无疑能应用于从新型显示屏到重构计算机内存的各个领域。

薄膜钙钛矿探测器大幅削减了成像剂量

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的聂婉怡等人利用薄膜钙钛矿开发出了一种极为敏锐的X射线探测器。研究人员在这种薄膜钙钛矿探测器中使用了同步加速光束线,并且发现,就高能X射线来说,钙钛物质的X射线吸收系数平均要比硅高10~40倍。他们还证明,这种新型固态X射线探测器要比传统的硅探测器灵敏100倍,且只需用极低剂量的辐射就能生成医学图像和牙科图像,也就是可以用少得多的X射线生成和现在同等质量的图像,这就让针对病患的X射线扫描成像过程变得更加安全了。聂婉怡还特别指出,建造此类探测器大规模阵列的成本应该远小于相同规模的半导体探测器阵列。

声速受到基本常数的限制

伦敦玛丽女王大学的克斯特亚·特拉琴科(Kostya Trachenko)、剑桥大学的巴托梅乌·蒙塞拉特(Bartomeu Monserrat)和克里斯·皮卡德(Chris Pickard)以及俄罗斯科学院的瓦蒂姆·布拉津(Vadim Brazhkin)通过计算证明,声音在固态和液态物质中传播速度的上限仅与两个无量纲量有关,也即精细结构常数以及质子与电子的质量比。这个研究小组的理论预言得到了两方面的支持。一是,一系列固态材料声速实验数据。二是,对金属氢中声速的计算——实验室中还没能创造出金属氢,但声音在这种材料中的传播速度应当是最快的。这一结果对我们研究基本常数对物理属性施加限制的方式颇具启示作用。

扭旋电子学应用于光子

安德里亚·阿鲁(Andrea Alù)、鲍桥梁、邱成伟(Cheng-Wei Qiu)和一支由纽约城市大学、新加坡国立大学、莫纳什大学、中国地质大学及德克萨斯大学奥斯汀分校合作者组成的国际团队证明了,在二维三氧化钼扭曲层中,光可能实现无色散及无衍射传播,且其分辨率超过衍射极限一个数量级还多。他们以“魔角”石墨烯为基础——“魔角”石墨烯是2018年《物理世界》科研突破奖项目——通过二维物质的扭曲层改变光子(而非电子)的传播性质。电子版本的实验,也就是所谓的“扭旋电子学”已经引发了一系列有关超导性和电子状态的研究,与之类似,全新的“光子学”变体也会在纳米成像、量子光学、量子计算和低能光学信号处理等方面有重要应用。

直接带隙硅基光发射器终于研制成功

荷兰埃因霍温理工大学的伊尔哈姆·法达利(Elham Fadaly)、阿兰·迪杰斯特拉(Alain Dijkstra)和埃里克·巴克斯(Erik Bakkers),德国耶拿市弗里德里希-席勒大学的延斯·雷内·萨克特(Jens Renè Suckert)和一支国际团队研制出了一种直接带隙硅基材料,这种材料能发出波长适用于光学通信的光。正常情况下,硅的电子带隙是非直接的,这就意味着硅发射光的能力较弱,且必须和其他半导体材质结合起来才能形成有效的光电设备。为了开发出直接带隙,研究人员就必须在一种六角形晶体结构(而非寻常的钻石结构)中培育硅锗合金晶体。他们在研制出发射红外光的合金纳米导线后成功做到了这点。除了光学通信和光学计算之外,这种新型硅基材料还能用来开发化学传感器。

混合粒子束提升了粒子疗法的精准度

由德国海德堡癌症研究中心若昂·塞科(Joao Seco)和伦敦大学学院西蒙·乔利(Simon Jolly)领衔的一支团队证明了混合粒子束可以让癌症治疗和治疗监控同时进行。他们的基本思想是利用一种既含有碳离子又含有氦离子的粒子束,其中,碳离子可以对目标肿瘤进行照射治疗,而氦粒子则会直接穿过病人,因而可以用来成像。研究人员在海德堡离子束治疗中心利用骨盆模体开展实验,并且证明,即便是模体内部气泡的微小膨胀都会导致氦粒子穿透范围的可观变化。此外,他们还证明,模体微小的转动会改变测量得到的信号。这一系列实验揭示了运用混合粒子束监控人体内部及局部解剖学变化的潜力,这样就能使粒子疗法变得更加精准,最终给癌症病患带去更好的疗效。

第一种室温超导体

美国罗切斯特大学的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)和该校及拉斯维加斯内华达大学的同行在温度高达15℃的高压富氢材料中观察到了超导现象。超导体能以零电阻导电,应用广泛,比如核磁共振扫描仪使用的高场磁体以及粒子加速器。在实践中,以超导体为基础的设备必须冷却到非常低的温度,成本很高且涉及氦的使用,因此,研究凝聚态物质的物理学家一种期望能开发出一种室温下的超导材料。迪亚斯等人制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提升了大约35℃,也因此第一次在室温下观测到了超导现象。不过,取得这次室温超导成就的代价是高达260万个大气压的高压,研究人员认为,改变材料的化学组成或许能减小所需的压力。

编译/乔琦

资料来源

Physics World announces its Breakthrough of the Year finalists for 2020

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