《物理世界》遴選出最重大的10項科學突破

盡管新冠疫情仍在全球很多地方肆虐，但并未阻止科學家們探究宇宙和自然的腳步，2020年，多項重大科技突破仍紛至沓來，給我們帶來驚喜的同時，也將讓我們的生活變得更加美好。

英國《物理世界》雜志的編輯對該網站上今年刊發(fā)的數(shù)百篇研究成果進行嚴格篩查，基于在提升我們對知識或科學理解方面取得重大進步、對科學進步及實際應用具有重要影響以及讀者深感興趣等原則，遴選出了其中最重大的10項突破。

首次給量子測量過程拍快照

來自瑞典、德國、西班牙等國家的科學家，運用一系列“弱”測量來探究量子力學中疊加態(tài)坍縮的本質。測量量子系統(tǒng)會導致它發(fā)生變化，迫使量子系統(tǒng)變成確定的經典狀態(tài)，這是量子力學奇怪但基本的方面之一。但這一最新研究表明，某些測量不會破壞所有量子信息。

在以單個鍶離子為對象展開的實驗中，該團隊拍攝了一系列“快照”。結果表明，測量并非瞬間、而是逐步把量子疊加態(tài)變成經典狀態(tài)。

從原理上說，“弱”測量過程能做到在不破壞這些量子態(tài)的前提下，探測到其中的誤差，所以這項工作或許有助于改善量子計算機的勘誤能力。

量子波動將大鏡子“踢”了一腳

美國麻省理工學院的于浩村攜手來自激光干涉引力波天文臺(LIGO)科學合作組成員，第一次測量了量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響。

他們的研究報告指出，盡管微觀量子波動如此微小，但仍可以“踢動”一個像LIGO里重達40公斤的鏡子一樣大的物體，使這個物體產生了很小幅度的移動，而且，他們測量出了這一幅度——LIGO探測器中的量子噪聲足以將大型反射鏡移動10的負20次方米，這種位移是由量子力學所預測的，對于這種大小的宏觀物體，科學家們過去從未進行過此類測量。

這項研究可以提升LIGO、歐洲“處女座”引力波干涉儀，以及未來天文臺對引力波的觀測能力。

首次探測到新型太陽中微子

意大利太陽中微子實驗(Borexino)合作組在太陽的碳-氮-氧循環(huán)(CNO循環(huán))中探測到了一種以前未曾見過的中微子——CNO中微子。

Borexino探測器位于意大利格蘭薩索國家實驗室，由278噸極其純凈的液態(tài)閃爍體構成。研究人員花大力氣將Borexino探測器的背景輻射影響降到了最低，隨后有了最新發(fā)現(xiàn)。這個觀測結果證實了科學家于80年前提出的恒星核合成理論，同時也能激勵物理學家使用下一代中微子探測器解決太陽的“金屬豐度之謎”——一個有關太陽內部碳、氮、氧豐度的未解之謎。

首次在液晶內觀測到鐵電向列相

美國科學家首次在液晶內發(fā)現(xiàn)了鐵電向列相。在這種相內，液晶特定團塊(域)內的所有分子都大致指向相同的方向。早在1910年，美國物理化學家彼得·德拜和德國猶太裔理論物理學家馬克斯·玻恩就提出了相關假說，100多年后終于得到證實!

在最新研究中，科學家們發(fā)現(xiàn)，當在一種名為RM734的有機分子上施加弱電場時，包含液晶的細胞邊緣會出現(xiàn)一系列明亮的顏色。事實證明，與傳統(tǒng)向列相液晶，鐵電向列相RM734對電場更敏感。

雖然科學家還需進一步發(fā)現(xiàn)能在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出這種現(xiàn)象的物質，但鐵電向列相物質無疑能在新型顯示屏、重構計算機內存等多個領域找到用武之地。

新型鈣鈦礦X射線探測器面世

美國科學家利用薄膜鈣鈦礦開發(fā)出了一種極為敏銳的新型X射線探測器，其靈敏度比傳統(tǒng)硅探測器高幾個數(shù)量級，且輻射和成本均大大降低。

研究人員在這種薄膜鈣鈦礦探測器中使用了同步加速光束線，并且發(fā)現(xiàn)，鈣鈦物質的X射線吸收系數(shù)平均比硅高10-40倍，這種新型X射線探測器的靈敏度比傳統(tǒng)硅探測器高100倍，且只需用極低劑量的輻射就能生成醫(yī)學圖像和牙科圖像，即用少得多的X射線就可生成和現(xiàn)在同等質量的圖像，這對需要接受X射線掃描成像的病患來說是個好消息。此外，建造大規(guī)模此類探測器陣列的成本應該遠低于相同規(guī)模的半導體探測器陣列。

科學家為聲速設置上限

來自英國和俄羅斯的科學家通過計算證明，聲音在固態(tài)和液態(tài)物質中傳播速度的上限取決于兩個基礎常數(shù)：精細結構常數(shù)和質子與電子的質量比。

他們用大量不同材料進行實驗，證實聲波速度隨傳播介質內原子質量的增加而下降，并由此推測，聲波在固態(tài)氫內傳播速度最快，且通過計算得出了聲波在固態(tài)氫內接近理論極限值的傳播速度：36公里/秒。

研究人員表示：“了解聲波在固體內的特性，可以讓多個學科領域受益，如地震學家可以利用地球內部深處地震引發(fā)的聲波來了解地震的本質以及地球的組成，而且聲波與重要的彈性特性(包括抗壓能力)有關，這也令材料科學家感興趣。”

將扭旋電子學應用于光子

由來自中國、美國等國科學家組成的國際團隊證明，在二維三氧化鉬的扭曲層中，光可能實現(xiàn)無色散及無衍射傳播，且分辨率比衍射極限多一個多數(shù)量級。

他們的研究建立在發(fā)現(xiàn)“魔角”石墨烯的基礎上，通過使用二維材料的扭曲層來改變光子(而非電子)的傳播性質。

他們指出，“扭旋電子學”現(xiàn)已催生出一系列有關超導性和電子狀態(tài)的研究，全新的“扭曲光子學”也有望在納米成像、量子光學、量子計算和低能光學信號處理等方面“大顯身手”。

直接帶隙硅基光發(fā)射器研制成功

來自荷蘭和德國的科學家研制出了一種直接帶隙硅基材料，其發(fā)出的光可應用于通信領域。

正常情況下，硅的電子帶隙是非直接的，這意味著硅發(fā)射光的能力較弱，且必須和其他半導體材質結合起來才能制造有效的光電設備。

為開發(fā)出直接帶隙，研究人員必須研制出一種擁有六角形晶體結構(而非尋常鉆石結構)的硅鍺合金晶體。在最新研究中，他們研制出了發(fā)射紅外光的合金納米導線。他們表示，這種新型硅基材料除應用于光學通信和光學計算領域之外，還能用來開發(fā)化學傳感器。

混合粒子束提升了粒子療法的精準度

由來自德國和英國的科學家組成的科研團隊證明，混合粒子束可以讓癌癥治療和療后監(jiān)測同時進行。

他們的基本思想是：利用一種既含有碳離子又含有氦離子的粒子束，其中，碳離子可對目標腫瘤進行照射治療;而氦離子則會直接穿透病人身體，因而可以用來成像。

研究人員在海德堡離子束治療中心利用骨盆模體開展實驗，結果證明了運用混合粒子束監(jiān)控人體內部及局部解剖學變化的潛力，可使粒子療法變得更精準，最終給癌癥患者帶去更好療法。

第一種室溫超導體面世

美國科學家在溫度高達15攝氏度的高壓富氫材料內觀察到了超導現(xiàn)象。

超導體能以零電阻導電，廣泛應用于從核磁共振掃描儀內使用的高場磁體到粒子加速器內。但超導體在工作時必須冷卻到極低的溫度，成本高且要使用氦，因此，凝聚態(tài)物理學家一直期望開發(fā)出能在室溫下工作的超導材料。

在最新研究中，科學家制作的碳硫氫化材料將此前的超導溫度紀錄提升了大約35攝氏度，首次在室溫下觀測到了超導現(xiàn)象，不過，這還需要高達260萬個大氣壓的高壓，研究人員認為，改變材料的化學組成或許能減少所需壓力。

這些突破涵蓋材料學、量子力學、天文學、醫(yī)學、物理學等多個學科領域，其宗旨都是為了拓展人類的認知邊界，讓人類的生活變得更加健康美好。(科技日報記者 劉霞)

關鍵詞： 《物理世界》 10項科學突破