物理世界 很高兴地宣布 10 年年度十大突破，涵盖从量子和医学物理学到天文学和凝聚态物质的方方面面。 整体 物理世界 年度突破将于 14 月 XNUMX 日星期三揭晓。
这 10 项突破是由一个小组选出的 物理世界 编辑们筛选了今年网站上发布的物理学所有领域的数百项研究更新。 除了被报道在 物理世界 在 2022 年，选择必须满足以下标准：
- 知识或理解的重大进步
- 工作对科学进步和/或实际应用开发的重要性
- 普遍感兴趣 物理世界 读者
下面列出了 10 年的十大突破，排名不分先后。 下周回来看看哪一个已经囊括了整体 物理世界 年度突破奖。
开创超冷化学新纪元
至 赵波, 潘建伟 以及中国科学技术大学 (USTC) 和北京中国科学院的同事； 并独立地 约翰·道尔 和美国哈佛大学的同事，创造了第一个超冷多原子分子。
尽管 30 多年来物理学家一直在将原子冷却到绝对零以上的一小部分，并且第一个超冷双原子分子出现在 2000 年代中期，但制造包含三个或更多原子的超冷分子的目标已被证明是难以实现的。
USTC 和 Harvard 团队使用不同且互补的技术制作了样本 三原子钠钾分子 在 220 nK 和 氢氧化钠 分别为 110 µK。 他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，超冷化学反应的研究、量子模拟的新形式以及基础科学的测试都得益于这些多原子分子平台而更接近于实现。
观察四中子
至 梅塔杜尔 德国达姆施塔特技术大学核物理研究所和其他 武士协作 观察四中子 并表明不带电的核物质存在，即使只是很短的时间。
四中子由四个中子组成，是在日本 RIKEN Nishina 中心的放射性离子束工厂发现的。 四中子是通过在液态氢靶上发射氦 8 原子核而产生的。 碰撞可以将一个氦 8 原子核分裂成一个 α 粒子（两个质子和两个中子）和一个四中子。
通过检测反冲的 α 粒子和氢原子核，该团队计算出这四个中子以未结合的四中子状态存在的时间仅为 10 - 22 秒。 观察结果的统计显着性大于 5σ，超过了粒子物理学发现的门槛。 该团队现在计划研究四中子中的单个中子，并寻找包含六个和八个中子的新粒子。
超高效发电
至 阿丽娜·拉波廷, 阿塞贡·亨利 麻省理工学院和美国国家可再生能源实验室的同事们， 构建效率超过 40% 的热光伏 (TPV) 电池.
新型 TPV 电池是首款将红外光转化为电能的固态热力发动机，比基于涡轮的发电机更有效，并且它可以在各种可能的热源下运行。 这些包括热能存储系统、太阳辐射（通过中间辐射吸收器）和废热以及核反应或燃烧。 因此，该设备可以成为更清洁、更环保的电网的重要组成部分，以及对可见光太阳能光伏电池的补充。
最快的光电开关
至 马库斯·奥辛德, 马丁舒尔茨 和德国马克斯普朗克量子光学研究所和慕尼黑大学的同事； 奥地利维也纳科技大学和格拉茨科技大学； 和意大利 CNR NANOTEC 纳米技术研究所， 定义和探索光电开关的“速度极限” 在物理设备中。
该团队使用仅持续一飞秒（10 - 15 s) 以实现每秒运行 1000 万亿次（XNUMX 拍赫兹）的开关所需的速度将介电材料样品从绝缘状态切换到导电状态。 虽然驱动这种超快速开关所需的公寓大小的设备意味着它不会很快出现在实际设备中，但结果暗示了经典信号处理的基本限制，并表明拍赫兹固态光电子学在原则上是可行的.
打开宇宙的新窗口
致美国宇航局、加拿大航天局和欧洲航天局 用于部署 和第一张图片来自 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)。
经过多年的延误和成本上涨，耗资 10 亿美元的 JWST 终于推出了 25 年 2021 月 6.5 日。对于许多太空探测器来说，发射是任务中最危险的部分，但 JWST 还必须经受住一系列危险的深空拆包操作，其中包括展开其 XNUMX 米主镜以及展开其网球场大小的遮阳板。
在发射之前，工程师们发现了 344 个“单点”故障，这些故障可能会阻碍天文台的任务，或者更糟糕的是，使其无法使用。 值得注意的是，没有遇到任何问题并遵循 调试 在 JWST 的科学仪器中，天文台很快开始收集数据并 捕捉壮观的宇宙图像.
JWST 的第一张图片是由美国总统乔·拜登在白宫的一次特别活动中公布的，此后发布了许多令人眼花缭乱的图片。 该天文台预计将运行到 2030 年代，并且已经走上了天文学革命的道路。
首次用于人体的 FLASH 质子治疗
至 艾米丽·多尔蒂 来自美国辛辛那提大学和合作者致力于 FAST-01 试验 执行 FLASH放疗的首次临床试验 以及首次在人体中使用 FLASH 质子疗法。
FLASH 放疗是一种新兴的治疗技术，它以超高剂量率进行辐射，这种方法被认为可以保护健康组织，同时仍能有效杀死癌细胞。 使用质子提供超高剂量率辐射将允许治疗位于身体深处的肿瘤。
该试验包括 10 名手臂和腿部骨转移疼痛的患者，他们接受了单次质子治疗，剂量为 40 Gy/s 或更高——大约是传统光子放射治疗剂量率的 1000 倍。 该团队展示了临床工作流程的可行性，并表明 FLASH 质子疗法在缓解疼痛方面与传统放射疗法一样有效，而且不会引起意想不到的副作用。
完善光传输和吸收
对于由 斯蒂芬·罗特（Stefan Rotter） 奥地利维也纳技术大学和 马修·戴维 法国雷恩大学创造了一种抗反射结构，使 通过复杂介质完美传输; 以及由 Rotter 和 奥里·卡茨 来自以色列耶路撒冷希伯来大学，用于开发“抗激光”，使任何材料都能吸收来自各种角度的所有光线。
在第一项调查中，研究人员设计了一种抗反射层，该层经过数学优化以匹配波从物体前表面反射的方式。 将这种结构放在随机无序的介质前面可以完全消除反射，并使物体对所有入射光波都是半透明的。
在第二项研究中，该团队开发了一种基于一组镜子和透镜的相干完美吸收器，可将入射光捕获在空腔内。 由于精确计算的干涉效应，入射光束与镜子之间反射回来的光束发生干涉，使反射光束几乎完全消失。
立方砷化硼是冠军半导体
由以下人员领导的独立团队 陈刚 在美国麻省理工学院和 刘新峰 中国北京国家纳米科学中心的研究表明，立方砷化硼是 科学界已知的最好的半导体之一.
这两个小组进行的实验表明，与构成现代电子产品基础的硅等半导体相比，该材料的小而纯区域具有更高的热导率和空穴迁移率。 硅的低空穴迁移率限制了硅器件的运行速度，而其低导热性会导致电子器件过热。
相比之下，立方砷化硼长期以来一直被预测在这些措施上优于硅，但研究人员一直在努力制造足够大的材料单晶样品来测量其特性。 然而，现在两个团队都克服了这一挑战，使立方砷化硼的实际应用更近了一步。
改变小行星的轨道
致美国宇航局 和 美国约翰霍普金斯大学 美国应用物理实验室 第一次示范 通过成功改变小行星的轨道来实现“动能撞击”。
于 2021 年 XNUMX 月推出是， 双小行星重定向测试 (DART) 飞船是有史以来第一个调查小行星动力学影响的任务。 它的目标是一个双星近地小行星系统，由一个直径为 160 米的小行星 Dimorphos 组成，它围绕着一颗更大的 780 米直径的小行星 Didymos 运行。
经过 11 万公里的小行星系统之旅后，DART 在 6 月以大约 XNUMX 公里/秒的速度成功撞击了 Dimorphos。 几天后，NASA 确认 DART 成功地将 Dimorphos 的轨道改变了 32 分钟——将轨道从 11 小时 55 分钟缩短到 11 小时 23 分钟。
这一变化比 NASA 定义的最小成功轨道周期变化的 25 秒大 73 倍。 结果还将用于评估如何最好地应用动能冲击技术来保卫我们的星球。
检测引力的 Aharonov–Bohm 效应
至 克里斯奥弗斯特里特, 彼得·阿森鲍姆, 马克卡塞维奇 和美国斯坦福大学的同事检测引力的 Aharonov-Bohm 效应。
最初的 Aharonov–Bohm 效应于 1949 年首次预测，是一种量子现象，即使带电粒子处于零电场和磁场区域，带电粒子的波函数也会受到电势或磁势的影响。 自 1960 年代以来，人们通过分裂一束电子并将两束电子束发送到包含完全屏蔽磁场的区域的任一侧来观察到这种效应。 当光束在检测器处重新组合时，Aharonov–Bohm 效应显示为光束之间的干涉。
现在，斯坦福大学的物理学家观察到 引力版效果 使用超冷原子。 该团队将原子分成两组，每组相距约 25 厘米，其中一组与大质量物质发生引力相互作用。 当重新组合时，原子显示出与引力的 Aharonov-Bohm 效应一致的干涉。 该效应可用于以非常高的精度确定牛顿的万有引力常数。
- 祝贺所有获得荣誉的团队 - 敬请期待总冠军，将于 14 年 2022 月 XNUMX 日星期三公布。
