物理世界 很高兴宣布 10 年年度十大突破，范围从天文学和医学物理学到量子科学、原子物理学等。 整体 物理世界 年度突破将于 14 月 XNUMX 日星期四揭晓。
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 2023 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
下面按发布时间顺序列出了 10 年十大突破 物理 世界。 下周回来看看哪一个赢得了总冠军 物理世界 年度突破奖。
至 赛诺芬·斯特拉科萨斯, 汉娜比斯曼斯, 马格努斯·伯格伦 以及林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的同事们开发了一种方法 直接在活组织内创建电子电路。 将神经组织与电子器件连接提供了一种研究神经系统复杂电信号或调节神经回路以治疗疾病的方法。 然而，刚性电子设备和软组织之间的不匹配可能会损害脆弱的生命系统。 相反，该团队使用可注射凝胶直接在体内创建软电极。 注射到活体组织后，凝胶中的酶分解体内的内源代谢物，从而引发凝胶中有机单体的酶聚合，将其转化为稳定、柔软的导电电极。 研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中来验证这一过程，凝胶在斑马鱼和药用水蛭中聚合并在组织内生长电极。
至 蔡特金 美国罗切斯特大学和费米实验室的同事 米内尔瓦 该实验展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是亚原子粒子，以很少与物质相互作用而闻名。因此，当博士后研究员蔡提出可以观察到塑料中质子偶尔散射的中微子时，人们产生了怀疑。该团队面临的巨大挑战是在碳核中束缚的质子散射的中微子更大的背景下观察孤质子（氢核）散射的中微子信号。为了解决这个问题，他们模拟了碳散射信号，并小心地将其从实验数据中减去。除了提供对质子结构的深入了解之外，该技术还可以进一步阐明中微子如何与物质相互作用。
致西莉亚·维尔曼和 马库斯·奥伯特勒 德国海德堡大学与 斯特凡弗洛钦格 德国耶拿大学以及西班牙马德里康普顿斯大学、德国波鸿鲁尔大学和比利时布鲁塞尔自由大学的同事使用玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 来模拟膨胀的宇宙其中的量子场。 在这个模拟系统中，凝聚态代表了宇宙，而穿过凝聚态的声子则扮演了量子场的角色。 通过改变 BEC 中原子的散射长度，研究小组使“宇宙”以不同的速率膨胀，并研究了声子如何在其中传播密度波动。 宇宙学理论预测，类似的效应导致了早期宇宙中大规模结构的形成，因此模拟的宇宙可能会产生有价值的见解，让我们了解真实的宇宙是如何变成今天的样子的。
至 罗曼梯若尔 和 里卡多·萨皮恩茨伦敦帝国理工学院的一位教授及其同事演示了杨氏双缝时间干涉。 19世纪对光波干涉的观察 托马斯·杨 是物理学史上最具标志性的实验之一，为光的波动理论提供了基础支持。 虽然该实验和其他类似实验涉及光通过空间中的一对窄缝的衍射，但英国和其他地方的研究人员表明，使用双缝在时间上实现等效效果是可能的。 时间模拟涉及固定动量但变化的频率。 一种材料，其中两个狭缝快速出现然后消失，一个接一个，应该会导致入射波在空间中保持其路径，但在频率上分散。 研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体镜的反射率并沿着从镜反射的光的频谱记录干涉条纹来实现这一目标。 他们发现干扰发生在不同频率的波之间，而不是不同的空间位置之间。 这项工作可能有多种应用，例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。
至 格雷瓜尔·库尔廷 洛桑联邦理工学院 (EPFL)， 乔斯琳·布洛赫 在洛桑大学医院和洛桑联邦理工学院， 纪尧姆夏维 CEA-Leti 的 Clinatec 及其同事 在大脑和脊髓之间建立“数字桥梁” 这使得瘫痪的人能够自然站立和行走。 脊髓损伤会断开大脑和负责行走的脊髓区域之间的通讯，从而导致永久性瘫痪。 为了恢复这种通信，该团队开发了一种脑-脊柱接口，包括两个可植入系统：一个用于记录皮质活动并解码用户移动下肢的意图；另一个用于记录大脑活动并解码用户移动下肢的意图。 另一个用于电刺激控制腿部运动的脊髓区域。 该团队在一名 38 岁的男子身上测试了该系统，该男子 10 年前因自行车事故造成脊髓损伤。 植入手术后，这座桥使参与者能够重新获得对腿部运动的直观控制，使他能够站立、行走、爬楼梯和穿越复杂的地形。
至 本兰永 以及奥地利因斯布鲁克大学和法国巴黎萨克雷大学的同事建造了一个量子中继器，并使用它通过标准电信光纤在 50 公里的距离上传输量子信息，从而展示了量子中继器的所有关键功能单个系统中的长距离量子网络。 该团队利用一对被捕获的钙 40 离子创建了量子中继器，这些离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。 这些光子中的每一个都与其“母”离子纠缠在一起，然后被转换为电信波长并沿着单独的 25 公里长的光纤发送。 最后，中继器交换两个离子上的纠缠，使两个纠缠光子相距 50 公里——大约是创建具有多个节点的大规模网络所需的距离。
苏维拉, 沃尔克·罗斯 at 阿贡国家实验室 在美国和同事 用于使用同步加速器 X 射线对单个原子进行成像。 直到最近，使用同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜可以分析的最小样本量为阿克，约为 10,000 个原子。 这是因为单个原子产生的 X 射线信号极其微弱，传统探测器的灵敏度不足以检测到它。 为了解决这个问题，该团队在传统的 X 射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端，该探测器放置在待研究样品上方仅 1 nm 处。 当尖锐的尖端在样品表面移动时，电子穿过尖端和样品之间的空间，产生电流，这本质上检测到每个元素独特的“指纹”。 这使得该团队能够将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强 X 射线照明提供的化学灵敏度结合起来。 该技术能够将有毒材料追踪到极低的水平，从而可以在材料设计和环境科学领域得到应用。
到了 艾格峰合作 使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 找到了令人信服的证据，证明早期星系导致了早期宇宙的再电离。再电离发生在大爆炸后约 1 亿年，涉及氢气的电离。这使得空间变得更加透明，使得原本被氢吸收的光线能够传播到今天的望远镜。再电离似乎是随着局部气泡的生长和合并而开始的。这些气泡可能是由辐射源产生的，一种可能性是它来自星系中的恒星。艾格峰研究人员使用 JWST 的近红外相机来观察穿过电离气泡的古代类星体发出的光。他们发现星系位置和气泡之间存在相关性，这表明来自这些早期星系的光确实是造成再电离的原因。
致王猛、施松林和 杰·芬伯格 以色列耶路撒冷希伯来大学的教授，因发现某些材料中的裂纹传播速度比音速更快。 这一结果与之前的实验结果和基于经典理论的预测相矛盾，经典理论认为超音速裂纹扩展是不可能的，因为材料中的声速反映了机械能穿过材料的速度。 该团队的观察结果可能表明存在所谓的“超剪切”动力学，其控制原理与引导经典裂纹的原理不同，正如预测的那样 迈克尔·马德 近 20 年前，他在美国德克萨斯大学奥斯汀分校任教。
到了 阿尔法合作 以证明反物质对引力的反应与物质的反应方式大致相同。 物理学家利用 CERN 的 ALPHA-g 实验首次直接观察到自由落体的反物质原子——反氢原子，由与反电子结合的反质子组成。 这是在一个高的圆柱形真空室中完成的，其中反氢首先被保存在磁阱中。 反氢从陷阱中释放出来并在室壁上湮灭。 研究小组发现，释放点下方发生的湮灭事件多于释放点上方发生的事件。 在考虑了反氢的热运动后，研究小组得出结论，反物质会下落。 令人着迷的是，反氢因重力而产生的加速度约为正常物质所经历的加速度的 75%。 尽管这种测量的统计显着性较低，但它为标准模型之外的新物理学打开了大门。
荣誉奖
今年的前 10 名中，值得一提的是从事 3.5 亿美元工作的物理学家 国家点火设施 （NIF）在我们去年年底选出 2022 年获奖者后在美国实验室进行的工作（因此也错过了我们 2023 年突破性的选择）。 13 年 2022 月 XNUMX 日实验室 公布 受控核聚变反应产生的能量多于为反应提供动力所需的能量。 5 年 2022 月 3.15 日进行的激光射击从含有两种氢同位素的微小颗粒中释放了 2.05 万焦耳 (MJ) 的能量，而这些激光传递到目标的能量为 XNUMX MJ。 这次净能量增益的演示标志着激光聚变的一个重要里程碑。
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