2023年的十大年度突破：从医学物理学研究到量子科学、原子物理学等

北京时间12月8日，Physics World宣布2023年的十大年度突破，范围从天文学和医学物理学研究到量子科学、原子物理学等。

下面按照Physics World报道的时间顺序列出了2023年十大突破。


在活体组织内培育出电极

复杂的混合物正在微制造电路上测试可注射凝胶。|图源：托尔·巴尔赫德

感谢Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的同事开发了一种直接在活体组织内创建电子电路的方法。将神经组织与电子器件连接提供了一种研究神经系统复杂电信号或调节神经回路以治疗疾病的方法。然而，刚性电子设备和软组织之间的不匹配可能会损害脆弱的生命系统。相反，该团队使用可注射凝胶直接在体内制造软电极。注射到活体组织后，凝胶中的酶分解体内的内源代谢物，从而引发凝胶中有机单体的酶聚合，将其转化为稳定的柔性导电电极。研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中来验证这一过程，凝胶在斑马鱼和药用水蛭中聚合并在组织内生长电极。


中微子探测质子的结构

致美国罗切斯特大学和加拿大约克大学的Tejin Cai以及从事费米实验室MINERvA实验的同事，该实验展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是亚原子粒子，以很少与物质相互作用而闻名。因此，当博士后研究员Cai提出可以观察到塑料中质子偶尔散射的中微子时，人们产生了怀疑。该团队面临的巨大挑战是在更大的中微子背景下观察从孤立质子（氢核）散射的中微子信号，这些中微子从束缚在碳原子核中的质子散射。为了解决这个问题，他们模拟了碳散射信号，并小心地将其从实验数据中减去。除了提供对质子结构的深入了解之外，该技术还可以进一步阐明中微子如何与物质相互作用。


在BEC中模拟膨胀的宇宙

德国海德堡大学的Celia Viermann和Markus Oberthaler、德国耶拿大学的Stefan Floerchinger以及西班牙马德里康普顿斯大学、德国波鸿鲁尔大学和布鲁塞尔自由大学的同事们，比利时，使用玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）来模拟膨胀的宇宙及其内部的量子场。在这个模拟系统中，凝聚态代表了宇宙，而穿过凝聚态的声子则扮演了量子场的角色。通过改变BEC中原子的散射长度，研究小组使「宇宙」以不同的速率膨胀，并研究了声子如何在其中引发密度波动。宇宙学理论预测，类似的效应导致了早期宇宙中大规模结构的形成，因此模拟的宇宙可能会产生有价值的见解，让我们了解真实的宇宙是如何变成今天的样子的。


时间双缝

致伦敦帝国理工学院的罗曼-蒂罗尔（Romain Tirole）和里卡多-萨皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其同事，感谢他们演示了杨氏双缝时间干涉。托马斯-杨在19世纪观测到的光波干涉是物理学史上最具标志性的实验之一，为光波理论提供了基础支持。虽然该实验和其他类似实验涉及光在空间通过一对窄缝的衍射，但英国和其他国家的研究人员发现，在时间上使用双缝也可以实现等效效果。时间上的类似物涉及固定的动量但变化的频率。在一种材料中，两个狭缝一个接一个地迅速出现，然后又迅速消失，这应该会使进入的波保持其在空间中的路径，但在频率上会分散开来。研究人员通过连续两次打开和关闭半导体反射镜的反射率，并沿着反射镜反弹出的光的频谱记录干涉条纹，实现了这一目的。他们发现，干涉发生在不同频率的波之间，而不是不同的空间位置。这项工作可以有多种应用，如用于信号处理和通信的光学开关或光学计算。


脊髓损伤后通过数字桥梁实现自然行走

恢复控制大脑和脊髓之间的数字桥梁帮助瘫痪者自然行走。|图源：CHUV/吉尔斯·韦伯

感谢洛桑联邦理工学院（EPFL）的格雷瓜尔-库廷（Grégoire Courtine）、洛桑大学医院和洛桑联邦理工学院的约瑟琳-布洛赫（Jocelyne Bloch）、CEA-Leti's Clinatec的纪尧姆-沙尔韦（Guillaume Charvet）及其同事开发出大脑和脊髓之间的「数字桥梁」，使一名瘫痪患者能够自然站立和行走。脊髓损伤会切断大脑与脊髓中产生行走功能的区域之间的交流，从而导致永久性瘫痪。为了恢复这种交流，研究小组开发了一种脑-脊接口，由两个植入式系统组成：一个系统用于记录大脑皮层活动并解码用户移动下肢的意图；另一个系统用于电刺激脊髓中控制腿部运动的区域。研究小组在一名10年前因自行车事故导致脊髓损伤的38岁男子身上测试了该系统。植入手术后，这座桥使受试者重新获得了对腿部运动的直觉控制，使他能够站立、行走、爬楼梯和穿越复杂地形。


大规模量子网络的基石

奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）和法国巴黎萨克雷大学（University of Paris-Saclay）的本-兰尼恩（Ben Lanyon）及其同事建造了一个量子中继器，并利用它通过标准电信光纤将量子信息传输了50千米，从而在一个系统中展示了远距离量子网络的所有关键功能。研究小组利用一对被困的钙-40离子创建了量子中继器，这些离子在激光脉冲照射下会发出光子。每个光子都与其「母体」离子纠缠在一起，然后被转换成电信波长，并通过25千米长的光纤分别发送出去。最后，中继器交换两个离子上的纠缠，使两个纠缠光子相距50公里--这大致是创建具有多个节点的大规模网络所需的距离。


首张单原子X射线图像

美国阿贡国家实验室的Saw Wai Hla、Volker Rose及其同事利用同步辐射X射线为单个原子成像。直到最近，利用同步辐射X射线扫描隧道显微镜分析的最小样本量还是一个原子图，即大约10,000个原子。这是因为单个原子产生的X射线信号非常微弱，传统探测器的灵敏度不足以探测到它。为了解决这个问题，研究小组在传统的X射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端，并将其置于待研究样品上方1纳米处。当锋利的针尖在样品表面移动时，电子穿过针尖和样品之间的空间，产生电流，从而探测到每种元素独有的「指纹」。这使得研究小组能够将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强X射线照明提供的化学敏感性结合起来。这项技术可应用于材料设计和环境科学领域，因为它能够追踪有毒物质到极低的水平。


「早期星系改变宇宙的」确凿证据

感谢EIGER协作小组利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）找到令人信服的证据，证明早期星系是早期宇宙再电离的罪魁祸首。再电离发生在宇宙大爆炸之后大约10亿年，涉及氢气的电离。这使得原本被氢气吸收的光线能够传播到今天的望远镜中。电离似乎是从局部气泡开始的，这些气泡不断扩大并凝聚在一起。这些气泡是由辐射源产生的，其中一种可能是来自星系中的恒星。EIGER的研究人员利用JWST的近红外相机观察了穿过电离气泡的古类星体发出的光。他们发现星系的位置与气泡之间存在相关性，这表明来自这些早期星系的光线确实是造成再电离的原因。


材料中的超音速裂纹

感谢以色列耶路撒冷希伯来大学的Meng Wang、Songlin Shi和Jay Fineberg，他们他们发现某些材料中裂纹的扩展速度可以超过音速。这一结果与之前的实验结果和基于经典理论的预测相矛盾，经典理论认为超音速裂纹传播是不可能的，因为材料中的声速反映了机械能在材料中移动的速度。研究小组的观察结果可能表明，存在所谓的「超剪切」动力学，其原理与指导经典裂纹的原理不同，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔-马尔德（Michael Marder）在近20年前就预测到了这一点。




Antimatter does not fall up

欧洲核子研究中心正在组装ALPHA-g的筒状闪烁体。(欧洲核子研究中心提供）

ALPHA合作组证明反物质对重力的反应与物质大致相同。物理学家利用欧核中心的ALPHA-g实验首次直接观察到自由落体的反物质原子——反氢原子，由与反电子结合的反质子组成。这是在一个高的圆柱形真空室中完成的，其中反氢首先被保存在磁阱中。反氢从陷阱中释放出来并在室壁上湮灭。研究团队发现，释放点下方发生的湮灭事件多于释放点上方发生的事件。在考虑了反氢的热运动后，研究团队得出结论，反物质会下落。令人着迷的是，反氢因重力而产生的加速度约为正常物质所经历的加速度的75%。尽管这种测量的统计显著性较低，但它为标准模型之外的新物理学打开了大门。


荣誉奖：聚变能源突破

今年的前十名中，值得一提的是在美国造价35亿美元的国家点火装置(NIF)工作的物理学家，他们去年年底在Physics World选出2022年获奖者后在该实验室进行了工作（因此错过了Physics World 2023年突破性的选择）。2022年12月13日，美国能源部部长和LLNL的科学家们共同宣布了这项有关「无限清洁能源」的重大科学突破。2022年12月5日，LLNL在向目标提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出，能量增益约为1.5。这次净能量增益的演示标志着激光聚变的一个重要里程碑。