《物理世界》評出2020年十大科學(xué)突破：探測到新型太陽中微子

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盡管新冠疫情仍在全球很多地方肆虐，但并未阻止科學(xué)家們探究宇宙和自然的腳步，2020年，多項(xiàng)重大科技突破仍紛至沓來，給我們帶來驚喜的同時(shí)，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(wǎng)站上今年刊發(fā)的數(shù)百篇研究成果進(jìn)行嚴(yán)格篩查，基于在提升我們對知識或科學(xué)理解方面取得重大進(jìn)步、對科學(xué)進(jìn)步及實(shí)際應(yīng)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(xiàng)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(xué)家，運(yùn)用一系列“弱”測量來探究量子力學(xué)中疊加態(tài)坍縮的本質(zhì)。測量量子系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致它發(fā)生變化，迫使量子系統(tǒng)變成確定的經(jīng)典狀態(tài)，這是量子力學(xué)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(huì)破壞所有量子信息。

在以單個(gè)鍶離子為對象展開的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)拍攝了一系列“快照”。結(jié)果表明，測量并非瞬間、而是逐步把量子疊加態(tài)變成經(jīng)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(xiàng)工作或許有助于改善量子計(jì)算機(jī)的勘誤能力。

第一個(gè)室溫超導(dǎo)體面世

美國科學(xué)家在溫度高達(dá)15攝氏度的高壓富氫材料內(nèi)觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)體能以零電阻導(dǎo)電，廣泛應(yīng)用于從核磁共振掃描儀內(nèi)使用的高場磁體到粒子加速器內(nèi)。但超導(dǎo)體在工作時(shí)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(xué)家一直期望開發(fā)出能在室溫下工作的超導(dǎo)材料。

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

這些突破涵蓋材料學(xué)、量子力學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其宗旨都是為了拓展人類的認(rèn)知邊界，讓人類的生活變得更加健康美好。

新型鈣鈦礦X射線探測器面世

美國科學(xué)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(gè)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(zhì)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(xué)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(zhì)量的圖像，這對需要接受X射線掃描成像的病患來說是個(gè)好消息。此外，建造大規(guī)模此類探測器陣列的成本應(yīng)該遠(yuǎn)低于相同規(guī)模的半導(dǎo)體探測器陣列。

在液晶內(nèi)觀測到鐵電向列相

美國科學(xué)家首次在液晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了鐵電向列相。在這種相內(nèi)，液晶特定團(tuán)塊(域)內(nèi)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(xué)家彼得·德拜和德國猶太裔理論物理學(xué)家馬克斯·玻恩就提出了相關(guān)假說，100多年后終于得到證實(shí)!

在最新研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在一種名為RM734的有機(jī)分子上施加弱電場時(shí)，包含液晶的細(xì)胞邊緣會(huì)出現(xiàn)一系列明亮的顏色。事實(shí)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(xué)家還需進(jìn)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(zhì)，但鐵電向列相物質(zhì)無疑能在新型顯示屏、重構(gòu)計(jì)算機(jī)內(nèi)存等多個(gè)領(lǐng)域找到用武之地。

科學(xué)家為聲速設(shè)置上限

來自英國和俄羅斯的科學(xué)家通過計(jì)算證明，聲音在固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)中傳播速度的上限取決于兩個(gè)基礎(chǔ)常數(shù)：精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和質(zhì)子與電子的質(zhì)量比。

他們用大量不同材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)聲波速度隨傳播介質(zhì)內(nèi)原子質(zhì)量的增加而下降，并由此推測，聲波在固態(tài)氫內(nèi)傳播速度最快，且通過計(jì)算得出了聲波在固態(tài)氫內(nèi)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(nèi)的特性，可以讓多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域受益，如地震學(xué)家可以利用地球內(nèi)部深處地震引發(fā)的聲波來了解地震的本質(zhì)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(guān)，這也令材料科學(xué)家感興趣。”

探測到新型太陽中微子

意大利太陽中微子實(shí)驗(yàn)(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探測器由278噸極其純凈的液態(tài)閃爍體構(gòu)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(gè)觀測結(jié)果證實(shí)了科學(xué)家于80年前提出的恒星核合成理論，同時(shí)也能激勵(lì)物理學(xué)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(gè)有關(guān)太陽內(nèi)部碳、氮、氧豐度的未解之謎。

混合粒子束提升了粒子療法的精準(zhǔn)度

由來自德國和英國的科學(xué)家組成的科研團(tuán)隊(duì)證明，混合粒子束可以讓癌癥治療和療后監(jiān)測同時(shí)進(jìn)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(biāo)腫瘤進(jìn)行照射治療;而氦離子則會(huì)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了運(yùn)用混合粒子束監(jiān)控人體內(nèi)部及局部解剖學(xué)變化的潛力，可使粒子療法變得更精準(zhǔn)，最終給癌癥患者帶去更好療法。

將扭旋電子學(xué)應(yīng)用于光子

由來自中國、美國等國科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)證明，在二維三氧化鉬的扭曲層中，光可能實(shí)現(xiàn)無色散及無衍射傳播，且分辨率比衍射極限超過一個(gè)數(shù)量級。

他們的研究建立在發(fā)現(xiàn)“魔角”石墨烯的基礎(chǔ)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(zhì)。

他們指出，“扭旋電子學(xué)”現(xiàn)已催生出一系列有關(guān)超導(dǎo)性和電子狀態(tài)的研究，全新的“扭曲光子學(xué)”也有望在納米成像、量子光學(xué)、量子計(jì)算和低能光學(xué)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(xué)家研制出了一種直接帶隙硅基材料，其發(fā)出的光可應(yīng)用于通信領(lǐng)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(dǎo)體材質(zhì)結(jié)合起來才能制造有效的光電設(shè)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(jié)構(gòu)(而非尋常鉆石結(jié)構(gòu))的硅鍺合金晶體。

在最新研究中，科學(xué)家們研制出了發(fā)射紅外光的合金納米導(dǎo)線。研究人員表示，這種新型硅基材料除應(yīng)用于光學(xué)通信和光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域之外，還能用來開發(fā)化學(xué)傳感器。

量子波動(dòng)“踢”了大鏡子一腳

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

他們的研究報(bào)告指出，盡管微觀量子波動(dòng)如此微小，但仍可以“踢動(dòng)”一個(gè)像LIGO里重達(dá)40公斤的鏡子一樣大的物體，使這個(gè)物體產(chǎn)生了很小幅度的移動(dòng)，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(dòng)10-20米，這種位移是由量子力學(xué)所預(yù)測的，對于這種大小的宏觀物體，科學(xué)家們過去從未進(jìn)行過此類測量。

這項(xiàng)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(tái)對引力波的觀測能力。(劉 霞)

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