《物理世界》评出2020年十大科学突破|今日视点

2020-12-18 01:00:00 来源: 科技日报 作者: 刘霞


新型薄膜钙钛矿X射线探测器的灵敏度是传统硅探测器的100倍。 图片来源:《物理世界》杂志网站

科技日报记者 刘霞

尽管新冠疫情仍在全球很多地方肆虐,但并未阻止科学家们探究宇宙和自然的脚步,2020年,多项重大科技突破仍纷至沓来,给我们带来惊喜的同时,也将让我们的生活变得更加美好。

英国《物理世界》杂志的编辑对该网站上今年刊发的数百篇研究成果进行严格筛查,基于在提升我们对知识或科学理解方面取得重大进步、对科学进步及实际应用具有重要影响以及读者深感兴趣等原则,遴选出了其中最重大的10项突破。

首次给量子测量过程拍快照

来自瑞典、德国、西班牙等国家的科学家,运用一系列“弱”测量来探究量子力学中叠加态坍缩的本质。测量量子系统会导致它发生变化,迫使量子系统变成确定的经典状态,这是量子力学奇怪但基本的方面之一。但这一最新研究表明,某些测量不会破坏所有量子信息。

在以单个锶离子为对象展开的实验中,该团队拍摄了一系列“快照”。结果表明,测量并非瞬间、而是逐步把量子叠加态变成经典状态。

从原理上说,“弱”测量过程能做到在不破坏这些量子态的前提下,探测到其中的误差,所以这项工作或许有助于改善量子计算机的勘误能力。

量子波动将大镜子“踢”了一脚

美国麻省理工学院的于浩村携手来自激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组成员,第一次测量了量子波动在人类尺度上对物体的宏观影响。

他们的研究报告指出,尽管微观量子波动如此微小,但仍可以“踢动”一个像LIGO里重达40公斤的镜子一样大的物体,使这个物体产生了很小幅度的移动,而且,他们测量出了这一幅度——LIGO探测器中的量子噪声足以将大型反射镜移动10的负20次方米,这种位移是由量子力学所预测的,对于这种大小的宏观物体,科学家们过去从未进行过此类测量。

这项研究可以提升LIGO、欧洲“处女座”引力波干涉仪,以及未来天文台对引力波的观测能力。

首次探测到新型太阳中微子

意大利太阳中微子实验(Borexino)合作组在太阳的碳-氮-氧循环(CNO循环)中探测到了一种以前未曾见过的中微子——CNO中微子。

Borexino探测器位于意大利格兰萨索国家实验室,由278吨极其纯净的液态闪烁体构成。研究人员花大力气将Borexino探测器的背景辐射影响降到了最低,随后有了最新发现。这个观测结果证实了科学家于80年前提出的恒星核合成理论,同时也能激励物理学家使用下一代中微子探测器解决太阳的“金属丰度之谜”——一个有关太阳内部碳、氮、氧丰度的未解之谜。

首次在液晶内观测到铁电向列相

美国科学家首次在液晶内发现了铁电向列相。在这种相内,液晶特定团块(域)内的所有分子都大致指向相同的方向。早在1910年,美国物理化学家彼得·德拜和德国犹太裔理论物理学家马克斯·玻恩就提出了相关假说,100多年后终于得到证实!

在最新研究中,科学家们发现,当在一种名为RM734的有机分子上施加弱电场时,包含液晶的细胞边缘会出现一系列明亮的颜色。事实证明,与传统向列相液晶,铁电向列相RM734对电场更敏感。

虽然科学家还需进一步发现能在室温环境下表现出这种现象的物质,但铁电向列相物质无疑能在新型显示屏、重构计算机内存等多个领域找到用武之地。

新型钙钛矿X射线探测器面世

美国科学家利用薄膜钙钛矿开发出了一种极为敏锐的新型X射线探测器,其灵敏度比传统硅探测器高几个数量级,且辐射和成本均大大降低。

研究人员在这种薄膜钙钛矿探测器中使用了同步加速光束线,并且发现,钙钛物质的X射线吸收系数平均比硅高10-40倍,这种新型X射线探测器的灵敏度比传统硅探测器高100倍,且只需用极低剂量的辐射就能生成医学图像和牙科图像,即用少得多的X射线就可生成和现在同等质量的图像,这对需要接受X射线扫描成像的病患来说是个好消息。此外,建造大规模此类探测器阵列的成本应该远低于相同规模的半导体探测器阵列。

科学家为声速设置上限

来自英国和俄罗斯的科学家通过计算证明,声音在固态和液态物质中传播速度的上限取决于两个基础常数:精细结构常数和质子与电子的质量比。

他们用大量不同材料进行实验,证实声波速度随传播介质内原子质量的增加而下降,并由此推测,声波在固态氢内传播速度最快,且通过计算得出了声波在固态氢内接近理论极限值的传播速度:36公里/秒。

研究人员表示:“了解声波在固体内的特性,可以让多个学科领域受益,如地震学家可以利用地球内部深处地震引发的声波来了解地震的本质以及地球的组成,而且声波与重要的弹性特性(包括抗压能力)有关,这也令材料科学家感兴趣。”

将扭旋电子学应用于光子

由来自中国、美国等国科学家组成的国际团队证明,在二维三氧化钼的扭曲层中,光可能实现无色散及无衍射传播,且分辨率比衍射极限多一个多数量级。

他们的研究建立在发现“魔角”石墨烯的基础上,通过使用二维材料的扭曲层来改变光子(而非电子)的传播性质。

他们指出,“扭旋电子学”现已催生出一系列有关超导性和电子状态的研究,全新的“扭曲光子学”也有望在纳米成像、量子光学、量子计算和低能光学信号处理等方面“大显身手”。

直接带隙硅基光发射器研制成功

来自荷兰和德国的科学家研制出了一种直接带隙硅基材料,其发出的光可应用于通信领域。

正常情况下,硅的电子带隙是非直接的,这意味着硅发射光的能力较弱,且必须和其他半导体材质结合起来才能制造有效的光电设备。

为开发出直接带隙,研究人员必须研制出一种拥有六角形晶体结构(而非寻常钻石结构)的硅锗合金晶体。在最新研究中,他们研制出了发射红外光的合金纳米导线。他们表示,这种新型硅基材料除应用于光学通信和光学计算领域之外,还能用来开发化学传感器。

混合粒子束提升了粒子疗法的精准度

由来自德国和英国的科学家组成的科研团队证明,混合粒子束可以让癌症治疗和疗后监测同时进行。

他们的基本思想是:利用一种既含有碳离子又含有氦离子的粒子束,其中,碳离子可对目标肿瘤进行照射治疗;而氦离子则会直接穿透病人身体,因而可以用来成像。

研究人员在海德堡离子束治疗中心利用骨盆模体开展实验,结果证明了运用混合粒子束监控人体内部及局部解剖学变化的潜力,可使粒子疗法变得更精准,最终给癌症患者带去更好疗法。

第一种室温超导体面世

美国科学家在温度高达15摄氏度的高压富氢材料内观察到了超导现象。

超导体能以零电阻导电,广泛应用于从核磁共振扫描仪内使用的高场磁体到粒子加速器内。但超导体在工作时必须冷却到极低的温度,成本高且要使用氦,因此,凝聚态物理学家一直期望开发出能在室温下工作的超导材料。

在最新研究中,科学家制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提升了大约35摄氏度,首次在室温下观测到了超导现象,不过,这还需要高达260万个大气压的高压,研究人员认为,改变材料的化学组成或许能减少所需压力。

这些突破涵盖材料学、量子力学、天文学、医学、物理学等多个学科领域,其宗旨都是为了拓展人类的认知边界,让人类的生活变得更加健康美好。


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责任编辑: 左常睿
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