2020年度物理學十大突破揭曉

《物理世界》（Physics World）網站年度十大科研突破是由該網站5位編輯從其2020年發布的數百項研究中篩選而來。

除了在2020年被《物理世界》報導之外，入選文章還需符合以下標準：

在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有重要影響；《物理世界》讀者的感興趣的程度。

以下是2020年《物理世界》十大科研突破入選名單，排名不分先後。

1 給量子測量過程拍快照

電場中捕獲的鍶離子，離子的測量僅持續百萬分之一秒

瑞典斯德哥爾摩大學馬爾庫斯·海因裡希（Markus Hennrich）等人，以及德國錫根大學、西班牙巴斯克及塞維亞地區的研究者，運用一系列「弱」測量（獲2011年《物理世界》科研突破獎）探測量子力學中疊加態坍縮的本質。雖然測量操作通常會導致量子系統變成確定的經典狀態，但海因裡希等人的工作表明，某些測量不會摧毀全部量子信息。這個團隊在以單個鍶離子為對象展開的實驗中拍攝了一系列「快照」，結果表明，測量不是瞬間把量子疊加態變成經典狀態的，而是逐步做到這點的。因為從原理上說，弱測量過程中能夠做到在不破壞量子態的前提下，探測這些狀態的誤差，所以這項工作或許有助於改善量子計算機的誤差校正能力。

2 發現龐大鏡體的量子相關性

麻省理工學院於浩村（Haocun Yu）和李·邁克庫勒（Lee McCuller）以及LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）科學合作團隊的成員證明了量子尺度相關性可以在重達數十千克的宏觀物體上留下痕跡。他們研究了LIGO幹涉儀發出的雷射束與其鏡體（每個鏡體都重達40千克）之間的細微相互作用。研究人員觀察到，鏡體因為輻射噪聲而移動，這正是海森堡不確定性原理導致的結果。他們在使用雷射的壓縮真空態時，證明了量子噪聲會下降到標準量子極限之下，這證明了雷射束和鏡體之間的量子相關性。這項研究可以提升LIGO、Virgo（室女座幹涉儀）以及未來建造的天文臺對引力波的觀測能力。

3 Borexino在核聚變循環中探測到了太陽中微子

Borexino合作團隊在太陽的碳-氮-氧循環（CNO循環）中探測到了中微子。這個團隊首先花了大力氣把Borexino探測器的本底輻射影響降到了最低——Borexino探測器位於義大利格蘭薩索山深處，由278噸極純液態閃爍體構成。這個觀測結果證實了最早在80年前提出的一個恆星核合成理論，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」——一個有關恆星內部碳、氮、氧豐度的問題。

4 首次發現鐵電向列相液晶

美國科羅拉多大學博爾德分校的諾爾·克拉克（Noel Clark）及該校和猶他大學的同行在液晶中發現了鐵電向列相。早在100多年前，人們就預言鐵電向列相液晶存在，今年終於得到了證實。在這種相中，液晶特定團塊或區域內的所有分子都指向大致相同的方向——這種現象就是極性排序，早在1910年代，彼得·德拜（Peter Debye）和馬克斯·玻恩（Max Born）就提出了相關假說。克拉克等人發現，當他們在一種名叫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一系列明亮的顏色。事實證明，相比傳統向列相液晶，鐵電向列相RM734對電場要敏感得多。雖然我們還需要進一步認證能在室溫環境下表現出這種現象的物質，但鐵電向列相物質無疑能應用於從新型顯示屏到重構計算機內存的各個領域。

5 薄膜鈣鈦礦探測器大幅削減了成像劑量

鈣鈦礦薄膜X射線探測器的靈敏度是傳統矽探測器的100倍，並且不需要外部電源

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的聶婉怡等人利用薄膜鈣鈦礦開發出了一種極為敏銳的X射線探測器。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，並且發現，就高能X射線來說，鈣鈦物質的X射線吸收係數平均要比矽高10～40倍。他們還證明，這種新型固態X射線探測器要比傳統的矽探測器靈敏100倍，且只需用極低劑量的輻射就能生成醫學圖像和牙科圖像，也就是可以用少得多的X射線生成和現在同等質量的圖像，這就讓針對病患的X射線掃描成像過程變得更加安全了。聶婉怡還特別指出，建造此類探測器大規模陣列的成本應該遠小於相同規模的半導體探測器陣列。

6 聲速受到基本常數的限制

倫敦瑪麗女王大學的克斯特亞·特拉琴科（Kostya Trachenko）、劍橋大學的巴託梅烏·蒙塞拉特（Bartomeu Monserrat）和克裡斯·皮卡德（Chris Pickard）以及俄羅斯科學院的瓦蒂姆·布拉津（Vadim Brazhkin）通過計算證明，聲音在固態和液態物質中傳播速度的上限僅與兩個無量綱量有關，也即精細結構常數以及質子與電子的質量比。這個研究小組的理論預言得到了兩方面的支持。一是，一系列固態材料聲速實驗數據。二是，對金屬氫中聲速的計算——實驗室中還沒能創造出金屬氫，但聲音在這種材料中的傳播速度應當是最快的。這一結果對我們研究基本常數對物理屬性施加限制的方式頗具啟示作用。

7 扭旋電子學應用於光子

安德裡亞·阿魯（Andrea Alù）、鮑橋梁、邱成偉（Cheng-Wei Qiu）和一支由紐約城市大學、新加坡國立大學、莫納什大學、中國地質大學及德克薩斯大學奧斯汀分校合作者組成的國際團隊證明了，在二維三氧化鉬扭曲層中，光可能實現無色散及無衍射傳播，且其解析度超過衍射極限一個數量級還多。他們以「魔角」石墨烯為基礎——「魔角」石墨烯是2018年《物理世界》科研突破獎項目——通過二維物質的扭曲層改變光子（而非電子）的傳播性質。電子版本的實驗，也就是所謂的「扭旋電子學」已經引發了一系列有關超導性和電子狀態的研究，與之類似，全新的「光子學」變體也會在納米成像、量子光學、量子計算和低能光學信號處理等方面有重要應用。

8 直接帶隙矽基光發射器終於研製成功

伊爾哈姆·法達利（左）和阿蘭·迪傑斯特拉（右）在實驗室

荷蘭埃因霍溫理工大學的伊爾哈姆·法達利（Elham Fadaly）、阿蘭·迪傑斯特拉（Alain Dijkstra）和埃裡克·巴克斯（Erik Bakkers），德國耶拿市弗裡德裡希-席勒大學的延斯·雷內·薩克特（Jens Renè Suckert）和一支國際團隊研製出了一種直接帶隙矽基材料，這種材料能發出波長適用於光學通信的光。正常情況下，矽的電子帶隙是非直接的，這就意味著矽發射光的能力較弱，且必須和其他半導體材質結合起來才能形成有效的光電設備。為了開發出直接帶隙，研究人員就必須在一種六角形晶體結構（而非尋常的鑽石結構）中培育矽鍺合金晶體。他們在研製出發射紅外光的合金納米導線後成功做到了這點。除了光學通信和光學計算之外，這種新型矽基材料還能用來開發化學傳感器。

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混合粒子束提升了粒子療法的精準度

由德國海德堡癌症研究中心若昂·塞科（Joao Seco）和倫敦大學學院西蒙·喬利（Simon Jolly）領銜的一支團隊證明了混合粒子束可以讓癌症治療和治療監控同時進行。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，碳離子可以對目標腫瘤進行照射治療，而氦粒子則會直接穿過病人，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，並且證明，即便是模體內部氣泡的微小膨脹都會導致氦粒子穿透範圍的可觀變化。此外，他們還證明，模體微小的轉動會改變測量得到的信號。這一系列實驗揭示了運用混合粒子束監控人體內部及局部解剖學變化的潛力，這樣就能使粒子療法變得更加精準，最終給癌症病患帶去更好的療效。

10 第一種室溫超導體

美國羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）和該校及拉斯維加斯內華達大學的同行在溫度高達15℃的高壓富氫材料中觀察到了超導現象。超導體能以零電阻導電，應用廣泛，比如核磁共振掃描儀使用的高場磁體以及粒子加速器。在實踐中，以超導體為基礎的設備必須冷卻到非常低的溫度，成本很高且涉及氦的使用，因此，研究凝聚態物質的物理學家一種期望能開發出一種室溫下的超導材料。迪亞斯等人製作的碳硫氫化材料將此前的超導溫度紀錄提升了大約35℃，也因此第一次在室溫下觀測到了超導現象。不過，取得這次室溫超導成就的代價是高達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小所需的壓力。

編譯/喬琦

資料來源：

Physics World announces its Breakthrough of the Year finalists for 2020

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一鍵三連關注