北京時間12月8日，Physics World宣布2023年的十大年度突破，范圍從天文學(xué)和醫(yī)學(xué)物理學(xué)研究到量子科學(xué)、原子物理學(xué)等。

下面按照Physics World報道的時間順序列出了2023年十大突破。


在活體組織內(nèi)培育出電極

復(fù)雜的混合物正在微制造電路上測試可注射凝膠。|圖源：托爾·巴爾赫德

感謝Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)的同事開發(fā)了一種直接在活體組織內(nèi)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(fù)雜電信號或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路以治療疾病的方法。然而，剛性電子設(shè)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(nèi)制造軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內(nèi)的內(nèi)源代謝物，從而引發(fā)凝膠中有機單體的酶聚合，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的柔性導(dǎo)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(nèi)生長電極。


中微子探測質(zhì)子的結(jié)構(gòu)

致美國羅切斯特大學(xué)和加拿大約克大學(xué)的Tejin Cai以及從事費米實驗室MINERvA實驗的同事，該實驗展示了如何從塑料靶散射的中微子中收集有關(guān)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。中微子是亞原子粒子，以很少與物質(zhì)相互作用而聞名。因此，當博士后研究員Cai提出可以觀察到塑料中質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)子結(jié)構(gòu)的深入了解之外，該技術(shù)還可以進一步闡明中微子如何與物質(zhì)相互作用。


在BEC中模擬膨脹的宇宙

德國海德堡大學(xué)的Celia Viermann和Markus Oberthaler、德國耶拿大學(xué)的Stefan Floerchinger以及西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)、德國波鴻魯爾大學(xué)和布魯塞爾自由大學(xué)的同事們，比利時，使用玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）來模擬膨脹的宇宙及其內(nèi)部的量子場。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引發(fā)密度波動。宇宙學(xué)理論預(yù)測，類似的效應(yīng)導(dǎo)致了早期宇宙中大規(guī)模結(jié)構(gòu)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。


時間雙縫

致倫敦帝國理工學(xué)院的羅曼-蒂羅爾（Romain Tirole）和里卡多-薩皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其同事，感謝他們演示了楊氏雙縫時間干涉。托馬斯-楊在19世紀觀測到的光波干涉是物理學(xué)史上最具標志性的實驗之一，為光波理論提供了基礎(chǔ)支持。雖然該實驗和其他類似實驗涉及光在空間通過一對窄縫的衍射，但英國和其他國家的研究人員發(fā)現(xiàn)，在時間上使用雙縫也可以實現(xiàn)等效效果。時間上的類似物涉及固定的動量但變化的頻率。在一種材料中，兩個狹縫一個接一個地迅速出現(xiàn)，然后又迅速消失，這應(yīng)該會使進入的波保持其在空間中的路徑，但在頻率上會分散開來。研究人員通過連續(xù)兩次打開和關(guān)閉半導(dǎo)體反射鏡的反射率，并沿著反射鏡反彈出的光的頻譜記錄干涉條紋，實現(xiàn)了這一目的。他們發(fā)現(xiàn)，干涉發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置。這項工作可以有多種應(yīng)用，如用于信號處理和通信的光學(xué)開關(guān)或光學(xué)計算。


脊髓損傷后通過數(shù)字橋梁實現(xiàn)自然行走

恢復(fù)控制大腦和脊髓之間的數(shù)字橋梁幫助癱瘓者自然行走。|圖源：CHUV/吉爾斯·韋伯

感謝洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的格雷瓜爾-庫廷（Grégoire Courtine）、洛桑大學(xué)醫(yī)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的約瑟琳-布洛赫（Jocelyne Bloch）、CEA-Leti's Clinatec的紀堯姆-沙爾韋（Guillaume Charvet）及其同事開發(fā)出大腦和脊髓之間的「數(shù)字橋梁」，使一名癱瘓患者能夠自然站立和行走。脊髓損傷會切斷大腦與脊髓中產(chǎn)生行走功能的區(qū)域之間的交流，從而導(dǎo)致永久性癱瘓。為了恢復(fù)這種交流，研究小組開發(fā)了一種腦-脊接口，由兩個植入式系統(tǒng)組成：一個系統(tǒng)用于記錄大腦皮層活動并解碼用戶移動下肢的意圖；另一個系統(tǒng)用于電刺激脊髓中控制腿部運動的區(qū)域。研究小組在一名10年前因自行車事故導(dǎo)致脊髓損傷的38歲男子身上測試了該系統(tǒng)。植入手術(shù)后，這座橋使受試者重新獲得了對腿部運動的直覺控制，使他能夠站立、行走、爬樓梯和穿越復(fù)雜地形。


大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的基石

奧地利因斯布魯克大學(xué)（University of Innsbruck）和法國巴黎薩克雷大學(xué)（University of Paris-Saclay）的本-蘭尼恩（Ben Lanyon）及其同事建造了一個量子中繼器，并利用它通過標準電信光纖將量子信息傳輸了50千米，從而在一個系統(tǒng)中展示了遠距離量子網(wǎng)絡(luò)的所有關(guān)鍵功能。研究小組利用一對被困的鈣-40離子創(chuàng)建了量子中繼器，這些離子在激光脈沖照射下會發(fā)出光子。每個光子都與其「母體」離子糾纏在一起，然后被轉(zhuǎn)換成電信波長，并通過25千米長的光纖分別發(fā)送出去。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--這大致是創(chuàng)建具有多個節(jié)點的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)所需的距離。


首張單原子X射線圖像

美國阿貢國家實驗室的Saw Wai Hla、Volker Rose及其同事利用同步輻射X射線為單個原子成像。直到最近，利用同步輻射X射線掃描隧道顯微鏡分析的最小樣本量還是一個原子圖，即大約10,000個原子。這是因為單個原子產(chǎn)生的X射線信號非常微弱，傳統(tǒng)探測器的靈敏度不足以探測到它。為了解決這個問題，研究小組在傳統(tǒng)的X射線探測器上添加了一個鋒利的金屬尖端，并將其置于待研究樣品上方1納米處。當鋒利的針尖在樣品表面移動時，電子穿過針尖和樣品之間的空間，產(chǎn)生電流，從而探測到每種元素獨有的「指紋」。這使得研究小組能夠?qū)呙杷淼里@微鏡的超高空間分辨率與強X射線照明提供的化學(xué)敏感性結(jié)合起來。這項技術(shù)可應(yīng)用于材料設(shè)計和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，因為它能夠追蹤有毒物質(zhì)到極低的水平。


「早期星系改變宇宙的」確鑿證據(jù)

感謝EIGER協(xié)作小組利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）找到令人信服的證據(jù)，證明早期星系是早期宇宙再電離的罪魁禍首。再電離發(fā)生在宇宙大爆炸之后大約10億年，涉及氫氣的電離。這使得原本被氫氣吸收的光線能夠傳播到今天的望遠鏡中。電離似乎是從局部氣泡開始的，這些氣泡不斷擴大并凝聚在一起。這些氣泡是由輻射源產(chǎn)生的，其中一種可能是來自星系中的恒星。EIGER的研究人員利用JWST的近紅外相機觀察了穿過電離氣泡的古類星體發(fā)出的光。他們發(fā)現(xiàn)星系的位置與氣泡之間存在相關(guān)性，這表明來自這些早期星系的光線確實是造成再電離的原因。


材料中的超音速裂紋

感謝以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的Meng Wang、Songlin Shi和Jay Fineberg，他們他們發(fā)現(xiàn)某些材料中裂紋的擴展速度可以超過音速。這一結(jié)果與之前的實驗結(jié)果和基于經(jīng)典理論的預(yù)測相矛盾，經(jīng)典理論認為超音速裂紋傳播是不可能的，因為材料中的聲速反映了機械能在材料中移動的速度。研究小組的觀察結(jié)果可能表明，存在所謂的「超剪切」動力學(xué)，其原理與指導(dǎo)經(jīng)典裂紋的原理不同，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的邁克爾-馬爾德（Michael Marder）在近20年前就預(yù)測到了這一點。




Antimatter does not fall up

歐洲核子研究中心正在組裝ALPHA-g的筒狀閃爍體。(歐洲核子研究中心提供）

ALPHA合作組證明反物質(zhì)對重力的反應(yīng)與物質(zhì)大致相同。物理學(xué)家利用歐核中心的ALPHA-g實驗首次直接觀察到自由落體的反物質(zhì)原子——反氫原子，由與反電子結(jié)合的反質(zhì)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。研究團隊發(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，研究團隊得出結(jié)論，反物質(zhì)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(zhì)所經(jīng)歷的加速度的75%。盡管這種測量的統(tǒng)計顯著性較低，但它為標準模型之外的新物理學(xué)打開了大門。


榮譽獎：聚變能源突破

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(xué)家，他們?nèi)ツ昴甑自赑hysics World選出2022年獲獎?wù)吆笤谠搶嶒炇疫M行了工作（因此錯過了Physics World 2023年突破性的選擇）。2022年12月13日，美國能源部部長和LLNL的科學(xué)家們共同宣布了這項有關(guān)「無限清潔能源」的重大科學(xué)突破。2022年12月5日，LLNL在向目標提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。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。