2022年年度科学11大突破

研究的广泛主题包括核物理学、光电子学、医学物理学和天文学。

我是斜杠青年，一个被前沿科学耽误挣钱的“杂食性”学者！

1.开创超冷化学的新时代

冷却灯：John Doyle及其同事使用的实验设置。（来源：John Doyle）

Bo Zhao、Jian-Wei Pan和中国科学技术大学（USTC）和中国科学院北京的同事；以及John Doyle和美国哈佛大学的同事，他们创造了第一个超冷多原子分子。

尽管物理学家将原子冷却到绝对零度以上的一小部分已经超过30年，并且第一批超冷双原子分子出现在2000年中期，但事实证明，制造含有三个或更多原子的超冷分子的目标已经难以实现。

USTC和哈佛团队使用不同的互补技术，分别在220奈米处和110微克的氢氧化钠分子样本中分别生产了三原子钠钾分子的样本。由于这些多原子分子平台，他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，对超冷化学反应的研究、新形式的量子模拟和基础科学的测试都更接近实现。

2.观察四中子

致德国达姆施塔特技术大学核物理研究所的Meytal Duer和SAMURAI合作的其他成员，他们观察了四中子，并展示了无电核物质的存在，即使只是很短的时间。

由四个中子组成，在日本RIKEN Nishina中心的放射性离子束工厂发现了四中子。四中子是通过向液氢靶点发射氦-8核而产生的。碰撞可以将氦-8核分裂成α粒子（两个质子和两个中子）和一个四中子。

通过检测后坐力的α粒子和氢核，该团队发现这四个中子仅存在于未结合的四中子状态10-22秒。观测的统计意义大于5σ，使其超过了粒子物理学发现的阈值。该团队现在计划研究四中子中的单个中子，并寻找包含六中子和八中子的新粒子。

3.超高效发电

Alina LaPotin、Asegun Henry和美国麻省理工学院和国家可再生能源实验室的同事，他们建造了效率超过40%的热光伏（TPV）电池。

新的TPV电池是第一台比涡轮发电机更有效地将红外光转化为电能的固态热发动机，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、更绿色电网的重要组成部分，以及可见光太阳能光伏电池的补充。

4.尽可能快的光电开关

德国马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑LMU、奥地利维也纳理工大学和格拉茨理工大学以及意大利CNR NANOTEC纳米技术研究所的Marcus Ossiander、Martin Schultze和同事，他们定义和探索物理设备中光电子开关的“速度限制”。

该团队使用仅持续1飞秒（10-15秒）的激光脉冲将介质材料的样本从绝缘状态切换到导电状态，其速度为实现每秒运行1000万亿倍（1 petahertz）的开关所需的速度。虽然驱动这个超快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，但结果表明，经典信号处理的基本限制，并表明petahertz固态光电子学原则上是可行的。

5.打开宇宙的新窗口

壮观的景色：JWST看到的Carina星云。（来源：美国宇航局、欧空局、CSA和STScI）

美国宇航局、加拿大航天局和欧洲航天局，用于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的部署和第一批图像。

经过多年的延误和成本上涨，100亿美元的JWST终于于2021年12月25日启动。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还必须在一系列危险的深空拆包演习中幸存下来，其中包括展开6.5米的主镜以及展开其网球场大小的遮阳板。

在发射之前，工程师确定了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，在JWST的科学仪器投入使用后，天文台很快就开始采集数据并捕捉宇宙的壮观图像。

第一张JWST照片是由美国总统乔·拜登在白宫的一次特别活动中宣布的，此后发布了许多令人眼花缭乱的照片。该天文台预计将运作到2030年代，并已在彻底改变天文学的轨道上。

6.人性入选的FLASH质子疗法

美国辛辛那提大学的Emily Daugherty和从事FAST-01试验的合作者，他们进行了FLASH放疗的首次临床试验和首次使用FLASH质子治疗。

FLASH放疗是一种新兴的治疗技术，以超高剂量率输送辐射，这种方法被认为可以节省健康组织，同时仍然有效杀死癌细胞。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，他们接受了一次40 Gy/s或以上的质子治疗——大约是常规光子放疗剂量率的1000倍。该团队展示了临床工作流程的可行性，并表明FLASH质子治疗在缓解疼痛方面与常规放射治疗一样有效，不会造成意想不到的副作用。

7.完善透光和吸收

由奥地利维也纳技术大学的Stefan Rotter和法国雷恩大学的Matthieu Davy领导的团队，他们创建了一个反反射结构，通过复杂的媒体进行完美的传输；以及由以色列耶路撒冷希伯来大学的Rotter和Ori Katz领导的合作，开发一种“抗激光器”，使任何材料都能从各种角度吸收所有光线。

在第一次调查中，研究人员设计了一个抗反射层，该层经过数学优化，以匹配物体前表面反射的方式。将这种结构放在随机无序介质前面可以完全消除反射，并使物体半透明到所有传入的光波中。

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，可以将传入的光线捕获到腔内。由于精确计算的干扰效果，入射光束干扰反射在镜子之间的光束，因此反射光束几乎完全熄灭。

8.立方砷化硼是冠军半导体

冠军半导体：立方砷化硼的球棒表示。（来源：麻省理工学院）

两个独立团队，一个由麻省理工学院的陈刚领导，美国休斯顿大学任志峰领导；另一个由中国北京国家纳米科学和技术中心的刘新峰和休斯顿大学的Jiming Bao和Ren智峰领导，因为这表明立方砷化硼是科学已知的最佳半导体之一。

这两组实验表明，与构成现代电子基础的硅等半导体相比，材料的小纯区域具有更高的导热性和孔流动性。硅的低孔移动性限制了硅器件的运行速度，而其低导热性导致电子设备过热。

相比之下，长期以来一直预测在这些措施上，立方砷化硼的表现将优于硅，但研究人员一直在努力创造足够大的单晶材料样本来测量其性能。然而，现在，两支研究队伍现在都克服了这一挑战，使立方砷化硼的实际使用更近了一步。

9.改变小行星的轨道

前往美国宇航局和美国的约翰·霍普金斯应用物理实验室，通过成功改变小行星的轨道首次演示“动力学撞击”。

双小行星重定向测试（DART）飞船于2021年11月发射，是有史以来第一个调查小行星动力学撞击的任务。它的目标是一颗双星近地小行星系统，由直径160米的天体Dimorphos组成，该天体围绕一颗直径780米的小行星Didimos运行。

在前往小行星系统行驶了1100万公里后，10月，DART在以约6公里/秒的速度行驶时成功撞击了Dimorphos。几天后，美国宇航局证实，DART已成功将Dimorphos的轨道更改了32分钟——将轨道从11小时55分钟缩短到11小时23分钟。

这一变化大约是美国宇航局定义为最小成功轨道周期变化的73秒的25倍。这些结果还将用于评估如何最好地应用动力学撞击技术来保护我们的星球。

10.检测阿哈罗诺夫-博姆重力效应

Chris Overstreet、Peter Asenbaum、Mark Kasevich和美国斯坦福大学的同事们检测到Aharonov-Bohm重力效应。

最初的阿哈罗诺夫-博姆效应于1949年首次预测，是一种量子现象，即使粒子处于零电场和磁场的区域，带电粒子的波函数也受到电势或磁势的影响。自20世纪60年代以来，通过分裂一束电子并将两束发送到包含完全屏蔽磁场的区域的两侧来观察到这种效应。当光束在探测器处重新组合时，阿哈罗诺夫-博姆效应被揭示为光束之间的干扰。

现在，斯坦福物理学家已经使用超冷原子观察到了该效应的引力版本。该团队将原子分为两组，相距约25厘米，一组与大质量发生引力相互作用。当重新组合时，原子表现出与重力的阿哈罗诺夫-玻姆效应一致的干涉。该效应可用于确定牛顿的引力常数到非常高的精度。

11.就在前几天LLNL团队发布的可控核聚变的技术，是一项里程碑式的突破。——在我的视频号里专门有一集讲到这项技术，感兴趣的朋可以移步视频号观看。

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