科技日報訊 （記者張夢然）英國《物理世界》雜志12月7日公布2023年度十大突破，范圍從天文學、醫(yī)學物理學研究到量子科學、原子物理學等。
在活體組織內生長電極、“數(shù)字橋”恢復脊髓損傷患者行走兩項醫(yī)療相關成果入選此次榜單。瑞典科學家開發(fā)了一種直接在活體組織內創(chuàng)建電子電路的方法，將神經(jīng)組織與電子設備連接，提供了一種研究神經(jīng)系統(tǒng)復雜電信號或調節(jié)神經(jīng)回路以治療疾病的方法。另一組瑞士研究團隊在患者大腦和脊髓之間開發(fā)了一座“數(shù)字橋梁”，脊髓損傷的患者在植入手術后，重新獲得對腿部運動的直接控制。
基礎物理方面，中微子探測質子結構、反物質的重力探索、時間的雙縫演示成果入選。美國和加拿大團隊展示了如何從塑料靶散射的中微子中，收集有關質子內部結構的信息，進一步闡明中微子如何與物質相互作用。歐核中心的ALPHA-g實驗則首次直接觀察到反氫原子對重力的反應與物質大致相同，為標準模型之外的新物理學打開了大門。英國團隊演示了楊氏雙縫時間干涉，可應用于信號處理和通信或光計算的光開關。
天文學研究中，在玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）中模擬膨脹宇宙、早期星系改變宇宙“鐵證”入選。德國、西班牙和比利時團隊使用BEC模擬了膨脹的宇宙及其內部的量子場，讓人們了解真實的宇宙是如何變成今天的樣子的。另一組科學家利用詹姆斯·韋布太空望遠鏡找到了令人信服的證據(jù)，證明早期星系導致了早期宇宙的再電離。
材料學領域，首個原子X射線圖像、材料中的超音速裂紋入選。美國團隊利用同步加速器X射線對單個原子進行成像，能探測到極低水平的有毒物質。以色列團隊則發(fā)現(xiàn)某些材料中的裂紋傳播速度可超過聲速，這一結果與之前的實驗結果和基于經(jīng)典理論的預測相矛盾。
此外，大規(guī)模量子網(wǎng)絡的構建模塊亦入選。奧地利和法國團隊建造了一個量子中繼器，并使用它通過標準電信光纖在50公里的距離上傳輸量子信息，從而展示了所有單個系統(tǒng)中長距離量子網(wǎng)絡的關鍵功能。
《Physics World》很高興地公布 2023 年年度十大突破，范圍從天文學和醫(yī)學物理學研究到量子科學、原子物理學等。年度物理學界整體突破將于 12 月 14 日星期四揭曉。
這 10 項突破是由《物理世界》編輯小組選出的，他們篩選了今年在該網(wǎng)站上發(fā)布的數(shù)百項涉及物理所有領域的研究更新。除了已在 2023 年《物理世界》上報道外 ，入選作品還必須滿足以下標準：
下面按照《物理 世界》報道的時間順序列出了 2023 年十大突破。下周回來看看哪一個贏得了年度物理學世界突破獎。
復雜的混合物正在微制造電路上測試可注射凝膠。（由托爾·巴爾赫德提供）
感謝Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大學、隆德大學和哥德堡大學的同事開發(fā)了一種直接在活體組織內創(chuàng)建電子電路的方法。將神經(jīng)組織與電子器件連接提供了一種研究神經(jīng)系統(tǒng)復雜電信號或調節(jié)神經(jīng)回路以治療疾病的方法。然而，剛性電子設備和軟組織之間的不匹配可能會損害脆弱的生命系統(tǒng)。相反，該團隊使用可注射凝膠直接在體內創(chuàng)建軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內的內源代謝物，從而引發(fā)凝膠中有機單體的酶聚合，將其轉化為穩(wěn)定、柔軟的導電電極。研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中來驗證這一過程，凝膠在斑馬魚和藥用水蛭中聚合并在組織內生長電極。
致美國羅切斯特大學和加拿大約克大學的蔡特金，以及費米實驗室MINERvA的同事實驗展示如何從塑料靶散射的中微子中收集有關質子內部結構的信息。中微子是亞原子粒子，以很少與物質相互作用而聞名。因此，當博士后研究員蔡提出可以觀察到塑料中質子偶爾散射的中微子時，人們產(chǎn)生了懷疑。該團隊面臨的巨大挑戰(zhàn)是在更大的中微子背景下觀察從孤立質子（氫核）散射的中微子信號，這些中微子從束縛在碳原子核中的質子散射。為了解決這個問題，他們模擬了碳散射信號，并小心地將其從實驗數(shù)據(jù)中減去。除了提供對質子結構的見解之外，
致德國海德堡大學的 Celia Viermann 和Markus Oberthaler以及Stefan Floerchinger德國耶拿大學以及西班牙馬德里康普頓斯大學、德國波鴻魯爾大學和比利時布魯塞爾自由大學的同事使用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài) (BEC) 來模擬膨脹的宇宙其中的量子場。在這個模擬系統(tǒng)中，凝聚態(tài)代表了宇宙，而穿過凝聚態(tài)的聲子則扮演了量子場的角色。通過改變 BEC 中原子的散射長度，研究小組使“宇宙”以不同的速率膨脹，并研究了聲子如何在其中傳播密度波動。宇宙學理論預測，類似的效應導致了早期宇宙中大規(guī)模結構的形成，因此模擬的宇宙可能會產(chǎn)生有價值的見解，讓我們了解真實的宇宙是如何變成今天的樣子的。
致倫敦帝國理工學院的Romain Tirole和Riccardo Sapienz及其同事演示了楊氏雙縫時間干涉。托馬斯·楊(Thomas Young) 19 世紀對光波干涉的觀察是物理學史上最具標志性的實驗之一，為光的波動理論提供了基礎支持。雖然該實驗和其他類似實驗涉及光通過空間中的一對窄縫的衍射，但英國和其他地方的研究人員表明，使用雙縫在時間上實現(xiàn)等效效果是可能的。時間模擬涉及固定動量但變化的頻率。一種材料中，兩條狹縫迅速出現(xiàn)，然后一個接一個地消失，應該會導致入射波在空間中保持其路徑，但在頻率上擴散。研究人員通過快速連續(xù)兩次打開和關閉半導體鏡的反射率并沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋來實現(xiàn)這一目標。他們發(fā)現(xiàn)干擾發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。這項工作可能有多種應用，例如用于信號處理和通信或光計算的光開關。
恢復控制大腦和脊髓之間的數(shù)字橋梁幫助癱瘓者自然行走。（由 CHUV/吉爾斯·韋伯提供）
感謝洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 的Grégoire Courtine 、洛桑大學醫(yī)院和 EPFL 的Jocelyne Bloch 、 CEA-Leti's Clinatec 的Guillaume Charvet以及同事們在大腦和脊髓之間建立了一座“數(shù)字橋梁”這使得癱瘓的人能夠自然站立和行走。脊髓損傷會斷開大腦和負責行走的脊髓區(qū)域之間的通訊，從而導致永久性癱瘓。為了恢復這種通信，該團隊開發(fā)了一種腦-脊柱接口，包括兩個可植入系統(tǒng)：一個用于記錄皮質活動并解碼用戶移動下肢的意圖；另一個用于記錄大腦活動并解碼用戶移動下肢的意圖。另一個用于電刺激控制腿部運動的脊髓區(qū)域。該團隊在一名 38 歲的男子身上測試了該系統(tǒng)，該男子 10 年前因自行車事故造成脊髓損傷。植入手術后，這座橋使參與者能夠重新獲得對腿部運動的直觀控制，使他能夠站立、行走、爬樓梯和穿越復雜的地形。
致本·蘭寧以及奧地利因斯布魯克大學和法國巴黎薩克雷大學的同事建造了一個量子中繼器，并使用它通過標準電信光纖在 50 公里的距離上傳輸量子信息，從而展示了量子中繼器的所有關鍵功能單個系統(tǒng)中的長距離量子網(wǎng)絡。該團隊利用一對被捕獲的鈣 40 離子創(chuàng)建了量子中繼器，這些離子在受到激光脈沖照射后會發(fā)射光子。這些光子中的每一個都與其“母”離子糾纏在一起，然后被轉換為電信波長并沿著單獨的 25 公里長的光纖發(fā)送。最后，中繼器交換兩個離子上的糾纏，使兩個糾纏光子相距 50 公里——大約是創(chuàng)建具有多個節(jié)點的大規(guī)模網(wǎng)絡所需的距離。
美國阿貢國家實驗室的Saw Wai Hla和Volker Rose及其同事利用同步加速器 X 射線對單個原子進行成像。直到最近，使用同步加速器 X 射線掃描隧道顯微鏡可以分析的最小樣本量為阿克，約為 10,000 個原子。這是因為單個原子產(chǎn)生的 X 射線信號極其微弱，傳統(tǒng)探測器的靈敏度不足以檢測到它。為了解決這個問題，該團隊在傳統(tǒng)的 X 射線探測器上添加了一個鋒利的金屬尖端，該探測器放置在待研究樣品上方僅 1 nm 處。當尖銳的尖端在樣品表面移動時，電子穿過尖端和樣品之間的空間，產(chǎn)生電流，這本質上檢測到每個元素獨特的“指紋”。這使得該團隊能夠將掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨率與強 X 射線照明提供的化學靈敏度結合起來。
前往艾格峰合作使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 找到了令人信服的證據(jù)，證明早期星系導致了早期宇宙的再電離。再電離發(fā)生在大爆炸后約 10 億年，涉及氫氣的電離。這使得原本被氫吸收的光能夠傳播到今天的望遠鏡。再電離似乎是隨著局部氣泡的生長和合并而開始的。這些氣泡可能是由輻射源產(chǎn)生的，一種可能性是它來自星系中的恒星。艾格峰研究人員使用 JWST 的近紅外相機來觀察穿過電離氣泡的古代類星體發(fā)出的光。他們發(fā)現(xiàn)星系位置和氣泡之間存在相關性，
感謝以色列耶路撒冷希伯來大學的Meng Wang、Songlin Shi 和Jay Fineberg ，他們發(fā)現(xiàn)某些材料中的裂紋傳播速度可以超過聲速。這一結果與之前的實驗結果和基于經(jīng)典理論的預測相矛盾，經(jīng)典理論認為超音速裂紋擴展是不可能的，因為材料中的聲速反映了機械能穿過材料的速度。該團隊的觀察結果可能表明存在所謂的“超剪切”動力學，其受不同于引導經(jīng)典裂縫的原理的控制，正如美國德克薩斯大學奧斯汀分校的邁克爾·馬德(Michael Marder) 近 20 年前所預測的那樣。
向下：ALPHA-g 的筒狀閃爍體正在歐洲核子研究中心組裝。（由歐洲核子研究組織提供）
前往ALPHA 合作以證明反物質對引力的反應與物質的反應方式大致相同。物理學家利用 CERN 的 ALPHA-g 實驗首次直接觀察到自由落體的反物質原子——反氫原子，由與反電子結合的反質子組成。這是在一個高的圓柱形真空室中完成的，其中反氫首先被保存在磁阱中。反氫從陷阱中釋放出來并在室壁上湮滅。研究小組發(fā)現(xiàn)，釋放點下方發(fā)生的湮滅事件多于釋放點上方發(fā)生的事件。在考慮了反氫的熱運動后，研究小組得出結論，反物質會下落。令人著迷的是，反氫因重力而產(chǎn)生的加速度約為正常物質所經(jīng)歷的加速度的 75%。盡管該測量的統(tǒng)計顯著性較低，
今年的前十名中，值得一提的是在美國造價 35 億美元的國家點火裝置(NIF) 工作的物理學家，他們去年年底在我們選出 2022 年獲獎者后在該實驗室進行了工作（因此錯過了也是我們 2023 年突破性的選擇）。2022 年 12 月 13 日，該實驗室宣布，受控核聚變反應產(chǎn)生的能量超過了反應所需的能量。2022 年 12 月 5 日進行的激光射擊從含有兩種氫同位素的微小顆粒中釋放了 315 萬焦耳 (MJ) 的能量，而這些激光傳遞到目標的能量為 2.05 MJ。這次凈能量增益的演示標志著激光聚變的一個重要里程碑。
1901年至2023年間，諾貝爾物理學獎共授予225位諾貝爾物理學獎獲得者117次。約翰·巴丁是唯一一位曾于1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學獎的獲得者。這意味著共有224人獲得諾貝爾物理學獎。曾獲得諾貝爾物理學獎。單擊鏈接以獲取更多信息。
