《物理世界》2025年度突破奖授予中科院物理所：成功制备二维金属

《物理世界》（Physics World）杂志近日宣布了2025年物理学的十大突破性进展，这些突破涵盖了天文学、反物质、原子与分子物理等领域。编辑团队回顾了2025年1月1日以来报道的所有科学发现，选出了十项他们认为最重要的成果。

1.成功制备首批二维金属薄片

一台用于制造二维金属的装置

图源：中国科学院物理研究所/新华社

《物理世界》2025年度突破奖授予中国科学院物理研究所的张广宇、杜罗军及其同事，他们成功制备了首批二维金属薄片。该团队制备了五种原子级的二维金属薄片——铋、锡、铅、铟和镓——其中最薄的约6.3 Å。研究人员表示，他们的工作只是“冰山一角”，未来计划利用这些新材料来探索物理学的基础问题。这一突破还有望推动新技术的发展。

自2004年石墨烯（一种仅有一个原子厚的碳薄片）被发现以来，物理学家已经制备和研究了数百种其他二维材料。在大多数此类材料中，共价键合的原子层之间存在间隙，相邻原子层之间仅通过微弱的范德华力（vdW）相互作用维系，因此相对容易“剥离”单层原子以制备二维薄片。许多人认为，鉴于金属中的每个原子都与周围原子在各个方向上牢固结合，因此制造原子级薄的金属是不可能的。

张广宇、杜罗军及其同事开发的新技术将纯金属粉末置于两个单层二硫化钼/蓝宝石范德华砧之间加热。待金属粉末熔化成液滴后，施加200 MPa的压力，并持续进行这种“范德华挤压”，直至砧面冷却至室温，形成二维金属薄片。

2. 在小行星上发现生命物质

史密森尼国家自然历史博物馆陨石馆馆长蒂姆·麦考伊（右）和研究地质学家卡里·科里根正在查看贝努小行星样本的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图源：James Di Loreto, Smithsonian

授予包括美国史密森尼国家自然历史博物馆陨石馆馆长蒂姆·麦考伊（Tim McCoy）在内的国际合作团队，他们在近地小行星101955 Bennu的返回样本中鉴定出盐、氨、糖、富含氮和氧的有机物质，以及富含金属的超新星尘埃痕迹。这一惊人的化学丰富性支持了长期存在的假设，即小行星撞击可能为早期地球“播种”了生命形成所需的原始成分。这些发现还加深了我们对Bennu以及太阳系其他天体如何从围绕年轻太阳的物质盘中形成的理解。3. 首个超流体分子

图源：Dr. Susumu Kuma, RIKEN

授予加拿大不列颠哥伦比亚大学的Takamasa Momose和日本理化学研究所原子、分子与光学物理实验室的Susumu Kuma，他们首次观察到分子的超流性。分子氢是最简单、最轻的分子，理论学家预测它会在1—2 K温度下进入超流态。但这个温度远低于其凝固点13.8 K，因此Momose、Kuma及其同事首先开发了一种让氢持续处于液态的方法，然后他们开发检测超流性开始的方法。完成这两个步骤用将近20年，通过将氢分子簇限制在氦纳米液滴内，并在簇中嵌入甲烷分子，并监测甲烷的旋转，他们终于成功了。他们现在计划研究更大的氢簇，以探索该系统中经典行为与量子行为的边界。4. 空芯光纤打破40年光传输极限

微结构纤维芯堆叠

图源：南安普顿大学

授予英国南安普顿大学和微软Azure Fiber的研究人员，他们开发了一种新型光纤，降低了信号损失，提升了带宽，并有望实现更快、更环保的通信。由Francesco Poletti领导的团队通过用空气取代传统光纤的玻璃芯，并使用玻璃膜在特定频率反射光线，将光线困在空芯中并保持传输，从而实现了这一突破。结果显示，这种空芯光纤的衰减比标准玻璃光纤低35%——意味着长距离电缆可减少的放大器数量——并将传输速度提高了45%。微软已开始在真实系统中测试这些新光纤，在其网络中安装光纤段传输实时流量。这些试验为逐步应用打开了大门，Poletti认为空芯光纤有一天可能取代现有的海底电缆。5. 首次使用质子弧疗法治疗患者

图源：特伦托物理卫生大学和质子治疗大学

授予意大利特伦托质子治疗中心的Francesco Fracchiolla及其同事，他们首次使用质子弧疗法（PAT）进行临床治疗。质子疗法是一种精确的癌症治疗，通常使用笔形束扫描将剂量精确“涂抹”到肿瘤上。但这种方法受限于在可接受治疗时间内可用的束方向数量较少。PAT通过采用弧形轨迹，并在大量束角度上照射质子，并潜在优化每个束方向的能量数量，来克服这一限制。该团队与瑞典RaySearch Laboratories的研究人员合作，对临床质子疗法计划进行了成功的剂量学比较。在确认临床PAT交付可行性的测试后，研究人员使用PAT治疗了九名癌症患者。重要的是，所有治疗都使用该中心的现有质子疗法系统和临床工作流程进行。6. 用于量子生物传感的蛋白质量子比特

雅各布·费德和本杰明·索洛韦所在的科研团队致力于设计可在活细胞内直接生产的蛋白质量子比特。

图源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/杰森·史密斯

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Peter Maurer和David Awschalom及其同事设计了一种蛋白质量子比特（qubit），可以直接在活细胞内生产并用作磁场传感器。目前许多量子传感器都基于金刚石中的氮-空位（NV）中心，但它们体积庞大，难以在活细胞内定位。该团队另辟蹊径，使用了直径仅为3纳米的荧光蛋白，并且可以通过细胞在所需位置以原子级精度进行生产。这些蛋白质具有与基于NV中心的量子比特类似的光学和自旋特性——即它们都具有亚稳态三重态。研究人员使用近红外激光脉冲对黄色荧光蛋白进行光学寻址，并以高达20%的自旋对比度读取其三重态自旋态。随后，他们对该蛋白进行基因改造，使其在细菌细胞中表达，并测量了对比度高达8%的信号。研究团队表示虽然这种性能与 NV 量子传感器的性能不相上下，但它能够直接在活细胞内进行磁共振测量，而 NV 中心无法做到这一点。

7. 有史以来最高分辨率的单个原子图像

原子成像：左图显示了二维材料中存在的原子。右图是单个原子的照片。

图源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

授予马里兰大学的张一超和伊利诺伊大学香槟分校的Pinshane Huang领导的团队，他们捕捉了材料中单个原子有史以来最高分辨率的图像。该团队使用电子显微镜技术——电子叠层成像（electron ptychography）——实现了15 皮米（pm）的分辨率，这大约是原子大小的十分之一。他们研究了两层原子级薄的二硒化钨堆叠，这些层相对旋转形成莫尔超晶格。这些扭曲的二维材料因其电子特性可随小旋转角度变化而剧变，备受物理学家关注。该显微镜的超高分辨率使他们能够观察到材料中被称为莫尔相位子的集体振动，称为莫尔声子（moiré phasons），这些相位子类似于声子，但此前从未被直接观测到。该团队的观测结果与莫尔相位子的理论预测相吻合。他们的显微镜技术应该能够增进我们对莫尔条纹相位子和其他晶格振动在固体物理学中所起作用的理解，有助于设计新型实用材料。

8. 对单个反质子的量子控制

物理学家芭芭拉·拉塔茨在CERN的 BASE 实验中。

图源：CERN

授予欧洲核子研究中心（CERN）的BASE合作团队，他们首次对单个反质子（质子的反物质对应物）进行相干自旋谱学测量。这一突破是对反质子磁特性迄今最精确的测量，可用于检验粒子物理的标准模型。实验从加速器中产生高能反质子开始，这些反质子必须冷却至低温而不会因湮灭而丢失。然后，将单个反质子困在超冷电磁阱中，使用微波脉冲操纵其自旋状态。所得共振峰比以往测量窄16倍，实现精度显著提升。这种量子控制水平为物质（质子）和反物质（反质子）性质的高灵敏度比较打开了大门。意外差异可能指向标准模型之外的新物理，并可能揭示为什么可见宇宙中物质远多于反物质。9. 基于智能手机的地震预警系统

口袋里的地震探测器：这张地图显示了全球范围内已探测到并发出警报的地震分布情况。

图源：谷歌

授予加州大学伯克利分校伯克利地震实验室主任理查德·艾伦（Richard Allen）、谷歌的马克·斯托盖蒂斯（Marc Stogaitis）及其同事，感谢他们创建了一个全球安卓智能手机网络，该网络可作为地震预警系统。传统的预警系统利用地震传感器网络，快速探测震中附近区域的地震，并向整个受灾地区发布预警。然而，建设此类地震网络成本高昂，许多地震多发地区甚至没有这样的网络。研究人员利用98个国家数百万部手机中的加速度计，创建了安卓地震警报（AEA）系统。在2021年至2024年期间对该应用程序的测试表明，该系统平均每月探测到312次地震，震级范围从1.9到7.8级。对于震级4.5级及以上的地震，该系统会向用户发送“采取行动”警报，平均每月发送60次，总计约1800万条警报。该系统还会向预计震级为 3 级或 4 级的地区发出较少的“注意”警报。该团队目前的目标是制作地面震动地图，这可以帮助地震后的应急响应部门。10. 气态巨行星的“天气图”

风之行星：艺术家描绘的WASP-127b，一颗距离地球约520光年的巨型气态行星。

图源：ESO/L Calçada

授予德国哥廷根大学的丽莎·诺特曼及其同事，他们绘制了首张系外行星的详细“天气图”。系外行星WASP-127b的天气预报显示，其风速高达3.3万公里/小时，远超太阳系内任何已知行星的风速，因此天气状况极其恶劣。WASP-127b是一颗距离地球约520光年的气态巨行星。研究团队利用欧洲南方天文台甚大望远镜上的CRIRES+仪器，观测了这颗系外行星在不到7小时内凌日的过程。通过对穿过WASP-127b大气层的星光进行光谱分析，他们发现了由超音速赤道风引起的多普勒频移。尽管无法分辨来自这颗系外行星特定位置的光线，但研究团队通过分析多普勒频移的范围，绘制出了WASP-127b的粗略天气图。诺特曼及其同事得出结论，这颗系外行星的两极比WASP-127b的其他部分温度更低，而其他部分的温度可以超过1000摄氏度。他们在行星大气层中探测到了水蒸气，这增加了存在奇特降雨形式的可能性。

参考文献：

https://physicsworld.com/a/top-10-breakthroughs-of-the-year-in-physics-for-2025-revealed