12月8日，英國《物理世界》雜志公布了2022年度十大突破，涵蓋從量子、醫(yī)學(xué)物理學(xué)、天文學(xué)到凝聚態(tài)物質(zhì)等各個方面。這十項突破是由《物理世界》編輯小組從今年在該雜志網(wǎng)站上發(fā)布的涵蓋物理學(xué)所有領(lǐng)域的數(shù)百項研究中精選出來的。
開創(chuàng)超冷化學(xué)新紀(jì)元
冷卻燈：約翰·道爾團隊使用的實驗裝置。圖源：約翰·道爾
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、趙博和美國哈佛大學(xué)的約翰·道爾等科學(xué)家創(chuàng)造了第一個超冷多原子分子。
盡管30多年來物理學(xué)家一直在將原子冷卻到絕對零度以上的一小部分，并且第一個超冷雙原子分子出現(xiàn)在2000年代中期，但制造包含3個或更多原子的超冷分子的目標(biāo)依然是很難實現(xiàn)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和哈佛大學(xué)團隊使用不同且互補的技術(shù)，分別制作了220nK的3原子鈉鉀分子樣品和110µK的氫氧化鈉樣品。他們的成就為物理學(xué)和化學(xué)的新研究鋪平了道路，超冷化學(xué)反應(yīng)的研究、量子模擬的新形式以及基礎(chǔ)科學(xué)的測試都得益于這些多原子分子平臺，從而也更接近于實現(xiàn)。
觀察四中子
德國達姆施塔特技術(shù)大學(xué)核物理研究所的梅塔爾·杜爾和SAMURAI合作組織的其他成員，觀察了四中子并證明了不帶電的核物質(zhì)的存在。
四中子顧名思義，由四個中子組成。四中子是通過在液態(tài)氫靶上發(fā)射氦8原子核而產(chǎn)生的。碰撞可將一個氦8原子核分裂成一個α粒子(兩個質(zhì)子和兩個中子)和一個四中子。通過檢測反沖的α粒子和氫原子核，團隊計算出這四個中子以未結(jié)合的四中子狀態(tài)存在的時間僅為10的負22次方秒。觀察結(jié)果的統(tǒng)計顯著性大于5σ，超過了粒子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的門檻。該團隊計劃研究四中子中的單個中子，并尋找包含六個和八個中子的新粒子。
超高效發(fā)電
美國麻省理工學(xué)院和美國國家可再生能源實驗室的艾莉娜·拉坡亭、阿塞根·亨利及其同事構(gòu)建了效率超過40%的熱光伏(TPV)電池。
新型TPV電池是首款將紅外光轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)熱力發(fā)動機，比基于渦輪的發(fā)電機更有效，并且它可在各種可能的熱源下運行。這些熱源包括熱能存儲系統(tǒng)、太陽輻射(通過中間輻射吸收器)和廢熱以及核反應(yīng)或燃燒。因此，該設(shè)備可成為更清潔、更環(huán)保的電網(wǎng)的重要組成部分，以及對可見光太陽能光伏電池的補充。
最快的光電開關(guān)
德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所和德國慕尼黑大學(xué)的馬庫斯·奧西安德、馬丁·舒爾茨及其同事，聯(lián)合奧地利維也納科技大學(xué)、格拉茨科技大學(xué)和意大利納米技術(shù)研究所，定義和探索了物理設(shè)備中光電開關(guān)的“速度限制”。
該團隊使用僅持續(xù)一飛秒(10的負15次方秒)的激光脈沖以實現(xiàn)每秒運行1000萬億次(1拍赫茲)的開關(guān)所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態(tài)切換為導(dǎo)電狀態(tài)。盡管驅(qū)動這種超快速開關(guān)所需的公寓大小的設(shè)備意味著它不會很快出現(xiàn)在實際應(yīng)用中，但結(jié)果暗示了經(jīng)典信號處理的基本限制，并表明拍赫茲固態(tài)光電技術(shù)在原則上是可行的。
打開宇宙的新窗口
壯觀的景象：韋布望遠鏡看到的船底座星云。圖源：NASA、ESA、CSA和STScI
美國國家航空航天局(NASA)、加拿大航天局和歐洲航天局公布了詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST)拍攝的第一張圖片。
經(jīng)過多年的延誤和成本上漲，價值100億美元的JWST終于在2021年12月25日發(fā)射。對于許多空間探測器來說，發(fā)射是任務(wù)中最危險的部分，但JWST還必須經(jīng)受住一系列危險的深空拆包操作，其中包括展開其6.5米的主鏡以及展開其網(wǎng)球場大小的遮陽板。
在發(fā)射之前，工程師們發(fā)現(xiàn)了344個“單點”故障，這些故障可能會阻礙望遠鏡的任務(wù)，或使其無法使用。值得注意的是，在JWST的科學(xué)儀器投入使用后，沒有遇到任何問題，望遠鏡很快開始收集數(shù)據(jù)并捕捉宇宙的壯觀圖像。
JWST的第一張圖片是由美國總統(tǒng)拜登在白宮的一次特別活動中公布的，此后發(fā)布了許多令人眼花繚亂的圖片。
首次用于人體的FLASH質(zhì)子治療
美國辛辛那提大學(xué)的艾米麗·多爾蒂團隊致力于FAST-01試驗，以進行FLASH放療的首次臨床試驗和FLASH質(zhì)子治療的首次人體使用。
FLASH放療是一種新興的治療技術(shù)，它以超高劑量率進行輻射，這種方法被認為可保護健康組織，同時仍能有效殺死癌細胞。使用質(zhì)子提供超高劑量率輻射將允許治療位于身體深處的腫瘤。
該試驗包括10名手臂和腿部骨轉(zhuǎn)移疼痛的患者，他們接受了單次質(zhì)子治療，劑量為40Gy/s或更高，大約是傳統(tǒng)光子放射治療劑量率的1000倍。該團隊展示了臨床工作流程的可行性，并表明FLASH質(zhì)子療法在緩解疼痛方面與傳統(tǒng)放射療法一樣有效，而且不會引起意想不到的副作用。
完善光傳輸和吸收
奧地利維也納技術(shù)大學(xué)和法國雷恩大學(xué)團隊創(chuàng)造了一種抗反射結(jié)構(gòu)，可通過復(fù)雜介質(zhì)實現(xiàn)完美傳輸;而以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，旨在開發(fā)一種“抗激光”，使任何材料都能從各種角度吸收所有光線。
在第一項研究中，研究人員設(shè)計了一種抗反射層，該層經(jīng)過數(shù)學(xué)優(yōu)化以匹配波從物體前表面反射的方式。將這種結(jié)構(gòu)放置在隨機無序的介質(zhì)前面可完全消除反射，并使物體對所有入射光波都是半透明的。
在第二項研究中，團隊開發(fā)了一種基于一組鏡子和透鏡的相干完美吸收器，可將入射光捕獲在空腔內(nèi)。由于精確計算的干涉效應(yīng)，入射光束與鏡子之間反射回來的光束發(fā)生干涉，使反射光束幾乎完全消失。
冠軍半導(dǎo)體：立方砷化硼
冠軍半導(dǎo)體：立方砷化硼的球棒模型。圖源：麻省理工學(xué)院
兩個獨立的團隊，一個由美國麻省理工學(xué)院的陳剛和休斯敦大學(xué)的任志鋒領(lǐng)導(dǎo);另一個由中國國家納米科學(xué)中心的劉新風(fēng)和休斯敦大學(xué)的包吉明和任志鋒領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)立方砷化硼是科學(xué)界已知的最好的半導(dǎo)體之一。
這兩個小組進行的實驗表明，與構(gòu)成現(xiàn)代電子產(chǎn)品基礎(chǔ)的硅等半導(dǎo)體相比，該材料的小而純區(qū)域具有更高的熱導(dǎo)率和空穴遷移率。硅的低空穴遷移率限制了硅器件的運行速度，而其低導(dǎo)熱性會導(dǎo)致電子器件過熱。
相比之下，立方砷化硼長期以來一直被預(yù)測在這些措施上優(yōu)于硅，但研究人員一直在努力制造足夠大的材料單晶樣品來測量其特性。兩個團隊都克服了這一挑戰(zhàn)，使立方砷化硼的實際應(yīng)用更近了一步。
改變小行星的軌道
NASA和約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室通過成功改變小行星的軌道首次展示了“動能撞擊”。
雙小行星重定向測試(DART)飛船于2021年11月發(fā)射，是有史以來首次執(zhí)行調(diào)查小行星動力學(xué)影響的任務(wù)。它的目標(biāo)是一個雙星近地小行星系統(tǒng)，由一個直徑為160米的小行星迪莫弗斯組成，它圍繞著一顆更大的780米直徑的小行星迪迪莫斯運行。
經(jīng)過1100萬公里的小行星系統(tǒng)之旅后，DART在9月以大約6公里/秒的速度成功撞擊了迪莫弗斯。幾天后，NASA證實DART成功地將迪莫弗斯的軌道改變了32分鐘——將軌道從11小時55分鐘縮短到11小時23分鐘。
這一變化比NASA定義的最小成功軌道周期變化的73秒大25倍。結(jié)果還將用于評估如何最好地應(yīng)用動能沖擊技術(shù)來保衛(wèi)人類的星球。
檢測引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)
美國斯坦福大學(xué)研究團隊檢測了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)。
最初的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)于1949年首次預(yù)測，是一種量子現(xiàn)象，即帶電粒子的波函數(shù)即使處于零電場和零磁場區(qū)域時也會受到電勢或磁勢的影響。自1960年代以來，人們通過分裂一束電子并將兩束電子束發(fā)送到包含完全屏蔽磁場的區(qū)域的任一側(cè)來觀察到這種效應(yīng)。當(dāng)光束在檢測器處重新組合時，阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)顯示為光束之間的干涉。
斯坦福大學(xué)物理學(xué)家已使用超冷原子觀察到了這種效應(yīng)的引力版本。該團隊將原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質(zhì)量物質(zhì)發(fā)生引力相互作用。當(dāng)重新組合時，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)一致的干涉。該效應(yīng)可用于以非常高的精度確定牛頓的萬有引力常數(shù)。
