厉害了!2022年物理学领域十大突破!从半导体到外太空…中国占两席!

physicsworld报道:2022年,人类还没有彻底摆脱新冠疫情,全球经济也没有完全复苏,世界一些地方还有战火。尽管这一年仍旧艰难,但在科学领域,人类却没有停止前进的脚步。最近,英国《物理世界》杂志评选出了“2022年物理学领域十大突破”,从半导体材料到太空望远镜成像,从临床医学到粒子物理……

包括中国科学家在内的各国学者,通过不懈的努力,在物理学的多个领域取得了令人瞩目的进步。入选“十大突破”的,需要符合以下三条标准:

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1.对人类认知和理解方面有相当重大的推动

2.在推动科学进步和(或)促进实际应用上起了重要作用

3.《物理世界》的大多数读者都感兴趣

下面,就让我们来盘点一下,这一年来推动科学的重大突破。

 

【开创超冷化学新纪元】

这项突破的殊荣分别授予中美两国的科学家:中国方面研究人员是中国科学技术大学的赵博,潘建伟及其团队,加上中国科学院化学所白春礼团队。

美国方面是则哈佛大学的John Doyle教授及其团队。中美两国科研团队,各自造出了世界上首批超冷多原子分子。

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过去三十多年里,物理学家们一直努力将原子冷却到接近绝对零度(零下273.15摄氏度),也在2000年代中期制造出了世界上第一个超冷双原子分子。

但是,制造包含三个或更多原子的超冷分子依然被认为难以实现。中美两国的团队运用各自不同但又互补的技术攻克了这个科学堡垒。

中国团队在零下53.15摄氏度制造出了三原子钠钾分子样品,美国团队在零下163.15度制造出了三原子的氢氧化钠样品。

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【首次观察到四中子】

60年来,研究人员一直在寻找传说中的“四中子”。四中子又称四中子态,是由四个中子短暂结合在一起形成的。过去,科学家们只有它们存在的间接证据,从来没有真正观察到。

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今年,达姆施塔特工业大学核物理研究所的Meytal Duer教授及日本理化研究所的合作者们,终于观察到了“四中子”的存在,只不过存在的时间非常短。

Duer教授等人通过在液态氢靶上发射氦8原子核而获得了“四中子”,持续时间只有短短的10^-20秒 (10的负20次方)。

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【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(NREL)的科研人员,合作开发出了一款效率超过40%的热光伏(TPV)电池。

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热光伏电池和太阳能电池板相似,都可以转化太阳能。不同的是,热光伏电池通过光伏效应,能将红外波长的光转换为电能!麻省理工开发的这款新型热光伏电池,是首个将红外线转化为电能的固态热力发动机。

比起普通的涡轮发电机,它更有效率,还能在各种可能的热源下运行。理论上,这种设备能成为更清洁、更环保的电力来源,也是对可见光太阳能光伏电池的补充。

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【最快的光电开关】

德国普朗克量子光学研究所和慕尼黑大学领导的研究团队,制作出了最快的光电开关。研究团队用仅持续一飞秒(10^-15秒)的激光脉冲,以实现每秒运行1000万亿次(1拍赫兹)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。

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尽管实际生活中,人们可能用不到这样的超快速开关,但这个实验表明了经典信号处理的终极限制,也证明了拍赫兹级的固态光电技术在原则上是可行的。

 

【打开了宇宙的新窗口】

今年7月,美国国家航空航天局(NASA)公布了詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄的第一张图片。

关于韦伯太空望远镜,我们已经介绍过多次:这个项目经过多年的延期和成本上涨,历史二十多年,造价100亿美元的韦伯太空望远镜最终在2021年12月25日发射,又在预定位置成功展开工作,成为目前人类观测宇宙最强大的望远镜。

今年,韦伯发回的第一批照片也表明,它所有功能正常,正在为人类全力探索深空,揭开更多宇宙深处的秘密。

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【首次人体FALSH质子治疗试验】

美国辛辛那提大学的Emily Daugherty教授的团队及合作者,致力于致力于FAST-01试验(FLASH放射治疗骨转移癌的可行性研究),今年,他们首次尝试了临床FLASH放疗和首次FLASH质子治疗。也被称为全球首个“超级质子治疗”的临床试验。

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FLASH 疗法是一种实验性的治疗方式,原理是在不到一秒的时间内以超高剂量率提供放射疗法,比传统放射疗法的速度快了 100 倍。能达到一次照射摧毁所有癌细胞,而正常细胞无损害的效果。

质子提供的超高剂量率辐射,还能治疗位于身体深处的肿瘤。可以说是放射性疗法发展的新方向。

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【完善光的传输和吸收】

维也纳工业大学Stefan Rotter和法国雷恩大学Matthieu Davy共同领导的团队,制造了一种抗反射的结构,能让光线更容易地穿过某个物体。他们在光的“穿透性”方面取得了重大的突破。

而与此相对的,是以色列耶路撒冷希伯来大学Ori Katz教授团队的一项研究:他们开发出了“反激光”技术,能让任何材料吸收多个角度射来的光线。他们在光的“吸收”方面取得了重大突破。

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【优胜的半导体:立方砷化硼】

中美两个独立的团队,各自证实了最好的半导体材料——立方砷化硼。中国团队是国家纳米科学中心的刘新风教授领导的,联合了休斯顿大学的包吉明团队和任志锋团队。

美国团队是麻省理工学院的陈刚教授领导。两个团队在实验中证明明,和最常用硅材料相比,立方砷化硼运行速度更快,且运行中不易发热,是更好的半导体材料。

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【改变小行星轨道】

这项成就属于美国宇航局NASA。去年11月,NASA发射了一颗冰箱大小的飞行器,去撞击小行星迪莫弗斯(Dimorphos),以此来测试撞击能否改变小行星的运行轨道。

这项实验被称为“双小行星重定向测试”(DART)。今年10月,飞行器以每秒6000米的速度成功击中了小行星,数天后,NASA宣布了测算结果:

撞击使小行星迪莫弗斯运行轨道的时间比过去缩短了32分钟。这项实验表明:通过撞击小行星改变其轨道来保护地球,理论上是可行的。

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【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成功检测到了引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应。阿哈罗诺夫—玻姆效应原本是量子物理学里的现象,它证明即使在磁场为零的区域,仍会存在磁效应。

该团队将超冷的原子分成两组,每组相距约25厘米,其中一组与大质量的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。这个效应也可用于确定精度较高的牛顿万有引力常数。

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但愿,在接下来的2023年里,人类可以在物理学领域取得更大的突破。无论世界怎样变幻,人类对科学进步的追求,却是永恒不变的。

来源:英国报姐综合

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