物理所“首例二维金属制备”成果入选《物理世界》“2025年十大突破”

英国物理学会主办的《物理世界》（Physics World）12 月 12 日正式公布 “2025年度十大科学突破”榜单，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇团队主导的 “首例二维金属制备” 成果成功入选。这是该榜单自 2009 年设立以来，我国主导研究第 7 次获此殊荣，也是本年度唯一入选的中国成果，与小行星生命起源线索、分子超流现象等国际重大突破共同跻身前列。实际上这是中国科学院物理研究所第二次有成果入选，上一次入选的成果是2015年的外尔费米子。

自 2004 年石墨烯被发现并开启二维新纪元以来，全球科学家已制备出数百种二维材料，理论预测更是接近 2000 种，但这些材料均局限于层状体系 ——类似 “千层饼” 的结构通过弱范德华力结合，可通过机械剥离等方式获得单层。而占元素周期表约 80%的金属，因具有非层状结构、强金属键及高对称性，如同 “压缩饼干” 般难以拆分，原子级薄的二维金属长期被学界认为是 “不可能完成的任务”，成为二维材料领域长期存在的重大空白。

为攻克这一难题，张广宇团队历时多年攻关，独创 “原子制造的范德华挤压技术”，利用团队自主研发的原子级平整单层二硫化钼作为 “范德华压砧”，实现了埃米级极限厚度下二维金属的普适制备，成功获得铋（6.3Å）、锡（5.8Å）、铅（7.5Å）、铟（8.4Å）和镓（9.2Å）五种二维金属。这些材料的厚度仅为头发丝直径的二十万分之一、A4 纸厚度的百万分之一。

单层铋的原子结构

这项技术突破带来了多重核心优势：制备的二维金属具有超 1 年无性能退化的环境稳定性，且拥有非成键界面，为探索材料本征特性奠定基础；电学测试显示，单层铋的室温电导率达 9.0×106S/m，较块体铋提升一个数量级以上，还展现出独特的 P 型电场效应，电阻可通过栅压调控 35%（超块体金属< 1%）；技术更能以原子精度控制二维金属厚度（单层、双层或三层），为研究新奇层赝自旋特性提供了全新平台。

与层数相关的特性

“这一突破不仅填补了二维材料家族的关键拼图，更开辟了全新研究领域。” 论文共同通讯作者杜罗军特聘研究员指出，二维金属有望衍生出量子霍尔效应、二维超导等宏观量子现象，为低功耗晶体管、高频器件、超灵敏探测等技术革新提供核心材料。元素周期表有 88 种金属元素，目前实现的5种仅仅只是“冰山一角”，加上二元及多元合金，未来尚有上万种二维金属材料待探索，为该领域留下广阔空间。该成果自 3 月在《自然》发表以来，迅速引发全球学界与媒体高度关注。

单层铋的电学特性

《物理世界》“年度十大突破” 以学术权威性著称，入选成果需满足 “科学意义重大、推动知识边界、理论与实验紧密结合、引发全球物理学家广泛关注” 四大核心标准。

以下是本年度十大突破（排名不分先后）：

小行星样本揭示生命起源线索

一个国际研究团队在近地小行星“贝努”的返回样本中，发现了盐、氨、糖、富氮/氧有机物以及超新星尘埃痕迹。这些由美国国家航空航天局（NASA）的OSIRIS-REx探测器于2020年采集的样本，其复杂的化学成分支持了小行星撞击可能为早期地球带来生命形成所需原材料的假说。该研究不仅深化了我们对生命起源的理解，也揭示了太阳系天体的形成机制。

图片来源：物理学家组织网

首次观测到分子超流现象

包括加拿大不列颠哥伦比亚大学在内的联合团队首次在分子氢中观测到超流性。团队克服了氢在超流温度下会凝固的难题，通过将氢分子簇束缚在氦液滴中并嵌入甲烷分子作为探针，历时近20年，成功探测到超流转变。这一突破为探索量子与经典行为的边界开辟了新途径。

空心光纤突破通信传输极限

由英国南安普敦大学和微软AzureFiber组成的团队开发出新型空心光纤，其核心以空气替代传统玻璃，利用玻璃膜反射光波。测试表明，该光纤信号衰减比标准光纤减少35%，传输速度提升45%，有望减少长距离通信中放大器的需求，为更快速、环保的网络基础设施奠定基础。

质子弧疗法首用于临床治疗

意大利特伦托质子治疗中心的团队率先完成质子弧疗法（PAT）的临床应用。该技术通过弧形路径多角度输送质子束，优化了肿瘤靶向剂量分布。在与传统扫描方案进行对比验证后，团队成功对九名癌症患者实施了PAT治疗，标志着质子治疗技术进入新阶段。

首例二维金属材料制备成功

中国科学院团队突破传统认知，首次制备出单原子层超薄金属，其厚度仅为头发丝直径的二十万分之一。团队通过将金属熔化并利用单层二硫化钼作为范德华压砧挤压，成功实现原子极限厚度下各种二维金属的普适制备。该成果被视为二维材料领域的重大进展，为研究二维金属的独特物理性质及相关应用打开大门。

图片来源：中国科学院物理研究所

蛋白质量子比特实现活细胞磁传感

美国芝加哥大学团队利用荧光蛋白开发出可在活细胞内合成的量子比特。这种直径3纳米的蛋白质具备类似钻石氮空位中心的光学与自旋特性，经基因改造后能在细菌中表达，并以8%的自旋对比度实现磁场传感，为细胞内原位磁共振测量提供了全新工具。

反质子自旋的量子精密测量

欧洲核子研究中心的BASE合作组首次实现对单个反质子的相干自旋操控。团队通过将反质子冷却并囚禁于电磁阱中，利用微波脉冲操控其自旋态，将测量精度较此前提升16倍。这一突破为检验物质-反物质对称性提供了前所未有的精度，可能揭示标准模型之外的新物理。

智能手机网络构建地震预警系统

美国加州大学伯克利分校与谷歌合作，利用全球安卓手机内置加速度计构建地震警报网络。2021—2024年测试期间，系统平均每月检测312次地震（震级1.9—7.8），并向受影响用户发送警报。该低成本方案有望弥补传统地震监测网络的覆盖空白，并助力灾后应急响应。

系外气态巨行星首张天气图绘成

德国哥廷根大学团队通过光谱分析系外行星WASP-127b的大气，绘制出首张系外行星天气图。研究发现该行星存在时速达3.3万公里的超音速风，极地与赤道温差超1000°C，大气中水蒸气的检测暗示可能存在特殊降雨过程，为系外行星气候研究树立新标杆。

图片来源：欧洲南方天文台

单原子分辨率显微成像突破

包括美国马里兰大学在内的团队借助电子显微镜技术，以15皮米分辨率捕获二维材料二硒化钨中单个原子的清晰图像，分辨率达原子尺寸的十分之一。该技术首次直接观测到莫尔晶格中的集体振动（莫尔声子），为理解材料微观相互作用及设计新型量子材料提供关键手段。

部分来源：科技日报

编辑：测不准的小阳