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《物理世界》評出2020年十大科學突破

時間:2020-12-18 15:28:43 來源:科技日報

盡管新冠疫情仍在全球很多地方肆虐,但并未阻止科學家們探究宇宙和自然的腳步,2020年,多項重大科技突破仍紛至沓來,給我們帶來驚喜的同時,也將讓我們的生活變得更加美好。

  英國《物理世界》雜志的編輯對該網站上今年刊發的數百篇研究成果進行嚴格篩查,基于在提升我們對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家,運用一系列“弱”測量來探究量子力學中疊加態坍縮的本質。測量量子系統會導致它發生變化,迫使量子系統變成確定的經典狀態,這是量子力學奇怪但基本的方面之一。但這一最新研究表明,某些測量不會破壞所有量子信息。

  在以單個鍶離子為對象展開的實驗中,該團隊拍攝了一系列“快照”。結果表明,測量并非瞬間、而是逐步把量子疊加態變成經典狀態。

  從原理上說,“弱”測量過程能做到在不破壞這些量子態的前提下,探測到其中的誤差,所以這項工作或許有助于改善量子計算機的勘誤能力。

  第一個室溫超導體面世

  美國科學家在溫度高達15攝氏度的高壓富氫材料內觀察到了超導現象。

  超導體能以零電阻導電,廣泛應用于從核磁共振掃描儀內使用的高場磁體到粒子加速器內。但超導體在工作時必須冷卻到極低的溫度,成本高且要使用氦,因此,凝聚態物理學家一直期望開發出能在室溫下工作的超導材料。

  在最新研究中,科學家制作的碳硫氫化材料將此前的超導溫度紀錄提升了大約35攝氏度,首次在室溫下觀測到了超導現象,不過,這還需要高達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少所需壓力。

  這些突破涵蓋材料學、量子力學、天文學、醫學、物理學等多個學科領域,其宗旨都是為了拓展人類的認知邊界,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

  美國科學家利用薄膜鈣鈦礦開發出了一種極為敏銳的新型X射線探測器,其靈敏度比傳統硅探測器高幾個數量級,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,并且發現,鈣鈦物質的X射線吸收系數平均比硅高10—40倍,這種新型X射線探測器的靈敏度比傳統硅探測器高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,即用少得多的X射線就可生成和現在同等質量的圖像,這對需要接受X射線掃描成像的病患來說是個好消息。此外,建造大規模此類探測器陣列的成本應該遠低于相同規模的半導體探測器陣列。

  在液晶內觀測到鐵電向列相

  美國科學家首次在液晶內發現了鐵電向列相。在這種相內,液晶特定團塊(域)內的所有分子都大致指向相同的方向。早在1910年,美國物理化學家彼得·德拜和德國猶太裔理論物理學家馬克斯·玻恩就提出了相關假說,100多年后終于得到證實!

  在最新研究中,科學家們發現,當在一種名為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,與傳統向列相液晶,鐵電向列相RM734對電場更敏感。

  雖然科學家還需進一步發現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在新型顯示屏、重構計算機內存等多個領域找到用武之地。

  科學家為聲速設置上限

  來自英國和俄羅斯的科學家通過計算證明,聲音在固態和液態物質中傳播速度的上限取決于兩個基礎常數:精細結構常數和質子與電子的質量比。

  他們用大量不同材料進行實驗,證實聲波速度隨傳播介質內原子質量的增加而下降,并由此推測,聲波在固態氫內傳播速度最快,且通過計算得出了聲波在固態氫內接近理論極限值的傳播速度:36公里/秒。

  研究人員表示:“了解聲波在固體內的特性,可以讓多個學科領域受益,如地震學家可以利用地球內部深處地震引發的聲波來了解地震的本質以及地球的組成,而且聲波與重要的彈性特性(包括抗壓能力)有關,這也令材料科學家感興趣?!?/p>

  探測到新型太陽中微子

  意大利太陽中微子實驗(Borexino)合作組在太陽的碳-氮-氧循環(CNO循環)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噸極其純凈的液態閃爍體構成。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,隨后有了最新發現。這個觀測結果證實了科學家于80年前提出的恒星核合成理論,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”——一個有關太陽內部碳、氮、氧豐度的未解之謎。

  混合粒子束提升了粒子療法的精準度

  由來自德國和英國的科學家組成的科研團隊證明,混合粒子束可以讓癌癥治療和療后監測同時進行。

  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,碳離子可對目標腫瘤進行照射治療;而氦離子則會直接穿透病人身體,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驗,結果證明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,可使粒子療法變得更精準,最終給癌癥患者帶去更好療法。

  將扭旋電子學應用于光子

  由來自中國、美國等國科學家組成的國際團隊證明,在二維三氧化鉬的扭曲層中,光可能實現無色散及無衍射傳播,且分辨率比衍射極限超過一個數量級。

  他們的研究建立在發現“魔角”石墨烯的基礎上,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。

  他們指出,“扭旋電子學”現已催生出一系列有關超導性和電子狀態的研究,全新的“扭曲光子學”也有望在納米成像、量子光學、量子計算和低能光學信號處理等方面“大顯身手”。

  直接帶隙硅基光發射器研制成功

  來自荷蘭和德國的科學家研制出了一種直接帶隙硅基材料,其發出的光可應用于通信領域。

  正常情況下,硅的電子帶隙是非直接的,這意味著硅發射光的能力較弱,且必須和其他半導體材質結合起來才能制造有效的光電設備。

  為開發出直接帶隙,研究人員必須研制出一種擁有六角形晶體結構(而非尋常鉆石結構)的硅鍺合金晶體。

  在最新研究中,科學家們研制出了發射紅外光的合金納米導線。研究人員表示,這種新型硅基材料除應用于光學通信和光學計算領域之外,還能用來開發化學傳感器。

  量子波動“踢”了大鏡子一腳

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

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

  這項研究可以提升LIGO、歐洲“處女座”引力波干涉儀,以及未來天文臺對引力波的觀測能力。

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編輯: 劉坤媛
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