《物理世界》公布2022年度十大突破

导读

近日，英国《物理世界》杂志公布了2022年度十大突破，涵盖从量子、医学物理学、天文学到凝聚态物质等各个方面。这十项突破是由《物理世界》编辑小组从今年在该杂志网站上发布的涵盖物理学所有领域的数百项研究中精选出来的。

开创超冷化学新纪元

中国科学技术大学的潘建伟、赵博和美国哈佛大学的约翰·道尔等科学家创造了第一个超冷多原子分子。

尽管30多年来物理学家一直在将原子冷却到绝对零度以上的一小部分，并且第一个超冷双原子分子出现在2000年代中期，但制造包含3个或更多原子的超冷分子的目标依然是很难实现。

中国科学技术大学和哈佛大学团队使用不同且互补的技术，分别制作了220nK的3原子钠钾分子样品和110µK的氢氧化钠样品。他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，超冷化学反应的研究、量子模拟的新形式以及基础科学的测试都得益于这些多原子分子平台，从而也更接近于实现。

观察四中子

德国达姆施塔特技术大学核物理研究所的梅塔尔·杜尔和SAMURAI合作组织的其他成员，观察了四中子并证明了不带电的核物质的存在。

四中子顾名思义，由四个中子组成。四中子是通过在液态氢靶上发射氦8原子核而产生的。碰撞可将一个氦8原子核分裂成一个α粒子（两个质子和两个中子）和一个四中子。通过检测反冲的α粒子和氢原子核，团队计算出这四个中子以未结合的四中子状态存在的时间仅为10的负22次方秒。观察结果的统计显著性大于5σ，超过了粒子物理学发现的门槛。该团队计划研究四中子中的单个中子，并寻找包含六个和八个中子的新粒子。

超高效发电

美国麻省理工学院和美国国家可再生能源实验室的艾莉娜·拉坡亭、阿塞根·亨利及其同事构建了效率超过40%的热光伏（TPV）电池。

新型TPV电池是首款将红外光转化为电能的固态热力发动机，比基于涡轮的发电机更有效，并且它可在各种可能的热源下运行。这些热源包括热能存储系统、太阳辐射（通过中间辐射吸收器）和废热以及核反应或燃烧。因此，该设备可成为更清洁、更环保的电网的重要组成部分，以及对可见光太阳能光伏电池的补充。

最快的光电开关

德国马克斯·普朗克量子光学研究所和德国慕尼黑大学的马库斯·奥西安德、马丁·舒尔茨及其同事，联合奥地利维也纳科技大学、格拉茨科技大学和意大利纳米技术研究所，定义和探索了物理设备中光电开关的“速度限制”。

该团队使用仅持续一飞秒（10的负15次方秒）的激光脉冲以实现每秒运行1000万亿次（1拍赫兹）的开关所需的速度，将介电材料样品从绝缘状态切换为导电状态。尽管驱动这种超快速开关所需的公寓大小的设备意味着它不会很快出现在实际应用中，但结果暗示了经典信号处理的基本限制，并表明拍赫兹固态光电技术在原则上是可行的。

打开宇宙的新窗口

壮观的景象：韦布望远镜看到的船底座星云。图源：NASA、ESA、CSA和STScI

美国国家航空航天局（NASA）、加拿大航天局和欧洲航天局公布了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄的第一张图片。

经过多年的延误和成本上涨，价值100亿美元的JWST终于在2021年12月25日发射。对于许多空间探测器来说，发射是任务中最危险的部分，但JWST还必须经受住一系列危险的深空拆包操作，其中包括展开其6.5米的主镜以及展开其网球场大小的遮阳板。

在发射之前，工程师们发现了344个“单点”故障，这些故障可能会阻碍望远镜的任务，或使其无法使用。值得注意的是，在JWST的科学仪器投入使用后，没有遇到任何问题，望远镜很快开始收集数据并捕捉宇宙的壮观图像。

JWST的第一张图片是由美国总统拜登在白宫的一次特别活动中公布的，此后发布了许多令人眼花缭乱的图片。

首次用于人体的FLASH质子治疗

美国辛辛那提大学的艾米丽·多尔蒂团队致力于FAST-01试验，以进行FLASH放疗的首次临床试验和FLASH质子治疗的首次人体使用。

FLASH放疗是一种新兴的治疗技术，它以超高剂量率进行辐射，这种方法被认为可保护健康组织，同时仍能有效杀死癌细胞。使用质子提供超高剂量率辐射将允许治疗位于身体深处的肿瘤。

该试验包括10名手臂和腿部骨转移疼痛的患者，他们接受了单次质子治疗，剂量为40Gy/s或更高，大约是传统光子放射治疗剂量率的1000倍。该团队展示了临床工作流程的可行性，并表明FLASH质子疗法在缓解疼痛方面与传统放射疗法一样有效，而且不会引起意想不到的副作用。

完善光传输和吸收

奥地利维也纳技术大学和法国雷恩大学团队创造了一种抗反射结构，可通过复杂介质实现完美传输；而以色列耶路撒冷希伯来大学领导的一项研究，旨在开发一种“抗激光”，使任何材料都能从各种角度吸收所有光线。

在第一项研究中，研究人员设计了一种抗反射层，该层经过数学优化以匹配波从物体前表面反射的方式。将这种结构放置在随机无序的介质前面可完全消除反射，并使物体对所有入射光波都是半透明的。

在第二项研究中，团队开发了一种基于一组镜子和透镜的相干完美吸收器，可将入射光捕获在空腔内。由于精确计算的干涉效应，入射光束与镜子之间反射回来的光束发生干涉，使反射光束几乎完全消失。

冠军半导体：立方砷化硼

冠军半导体：立方砷化硼的球棒模型。图源：麻省理工学院

两个独立的团队，一个由美国麻省理工学院的陈刚和休斯敦大学的任志锋领导；另一个由中国国家纳米科学中心的刘新风和休斯敦大学的包吉明和任志锋领导，发现立方砷化硼是科学界已知的最好的半导体之一。

这两个小组进行的实验表明，与构成现代电子产品基础的硅等半导体相比，该材料的小而纯区域具有更高的热导率和空穴迁移率。硅的低空穴迁移率限制了硅器件的运行速度，而其低导热性会导致电子器件过热。

相比之下，立方砷化硼长期以来一直被预测在这些措施上优于硅，但研究人员一直在努力制造足够大的材料单晶样品来测量其特性。两个团队都克服了这一挑战，使立方砷化硼的实际应用更近了一步。

改变小行星的轨道

NASA和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室通过成功改变小行星的轨道首次展示了“动能撞击”。

双小行星重定向测试（DART）飞船于2021年11月发射，是有史以来首次执行调查小行星动力学影响的任务。它的目标是一个双星近地小行星系统，由一个直径为160米的小行星迪莫弗斯组成，它围绕着一颗更大的780米直径的小行星迪迪莫斯运行。

经过1100万公里的小行星系统之旅后，DART在9月以大约6公里/秒的速度成功撞击了迪莫弗斯。几天后，NASA证实DART成功地将迪莫弗斯的轨道改变了32分钟——将轨道从11小时55分钟缩短到11小时23分钟。

这一变化比NASA定义的最小成功轨道周期变化的73秒大25倍。结果还将用于评估如何最好地应用动能冲击技术来保卫人类的星球。

检测引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应

美国斯坦福大学研究团队检测了引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应。

最初的阿哈罗诺夫—玻姆效应于1949年首次预测，是一种量子现象，即带电粒子的波函数即使处于零电场和零磁场区域时也会受到电势或磁势的影响。自1960年代以来，人们通过分裂一束电子并将两束电子束发送到包含完全屏蔽磁场的区域的任一侧来观察到这种效应。当光束在检测器处重新组合时，阿哈罗诺夫—玻姆效应显示为光束之间的干涉。

斯坦福大学物理学家已使用超冷原子观察到了这种效应的引力版本。该团队将原子分成两组，每组相距约25厘米，其中一组与大质量物质发生引力相互作用。当重新组合时，原子显示出与引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应一致的干涉。该效应可用于以非常高的精度确定牛顿的万有引力常数。

作者：闵青云

来源：FUTURE远见（ID：FutureYuanjian）