北京時間12月8日，Physics World宣布2023年的十大年度突破，范圍從天文學和醫學物理學研究到量子科學、原子物理學等。

下面按照Physics World報道的時間順序列出了2023年十大突破。


在活體組織內培育出電極

復雜的混合物正在微制造電路上測試可注射凝膠。|圖源：托爾·巴爾赫德

感謝Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大學、隆德大學和哥德堡大學的同事開發了一種直接在活體組織內創建電子電路的方法。將神經組織與電子器件連接提供了一種研究神經系統復雜電信號或調節神經回路以治療疾病的方法。然而，剛性電子設備和軟組織之間的不匹配可能會損害脆弱的生命系統。相反，該團隊使用可注射凝膠直接在體內制造軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內的內源代謝物，從而引發凝膠中有機單體的酶聚合，將其轉化為穩定的柔性導電電極。研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中來驗證這一過程，凝膠在斑馬魚和藥用水蛭中聚合并在組織內生長電極。


中微子探測質子的結構

致美國羅切斯特大學和加拿大約克大學的Tejin Cai以及從事費米實驗室MINERvA實驗的同事，該實驗展示了如何從塑料靶散射的中微子中收集有關質子內部結構的信息。中微子是亞原子粒子，以很少與物質相互作用而聞名。因此，當博士后研究員Cai提出可以觀察到塑料中質子偶爾散射的中微子時，人們產生了懷疑。該團隊面臨的巨大挑戰是在更大的中微子背景下觀察從孤立質子（氫核）散射的中微子信號，這些中微子從束縛在碳原子核中的質子散射。為了解決這個問題，他們模擬了碳散射信號，并小心地將其從實驗數據中減去。除了提供對質子結構的深入了解之外，該技術還可以進一步闡明中微子如何與物質相互作用。


在BEC中模擬膨脹的宇宙

德國海德堡大學的Celia Viermann和Markus Oberthaler、德國耶拿大學的Stefan Floerchinger以及西班牙馬德里康普頓斯大學、德國波鴻魯爾大學和布魯塞爾自由大學的同事們，比利時，使用玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）來模擬膨脹的宇宙及其內部的量子場。在這個模擬系統中，凝聚態代表了宇宙，而穿過凝聚態的聲子則扮演了量子場的角色。通過改變BEC中原子的散射長度，研究小組使「宇宙」以不同的速率膨脹，并研究了聲子如何在其中引發密度波動。宇宙學理論預測，類似的效應導致了早期宇宙中大規模結構的形成，因此模擬的宇宙可能會產生有價值的見解，讓我們了解真實的宇宙是如何變成今天的樣子的。


時間雙縫

致倫敦帝國理工學院的羅曼-蒂羅爾（Romain Tirole）和里卡多-薩皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其同事，感謝他們演示了楊氏雙縫時間干涉。托馬斯-楊在19世紀觀測到的光波干涉是物理學史上最具標志性的實驗之一，為光波理論提供了基礎支持。雖然該實驗和其他類似實驗涉及光在空間通過一對窄縫的衍射，但英國和其他國家的研究人員發現，在時間上使用雙縫也可以實現等效效果。時間上的類似物涉及固定的動量但變化的頻率。在一種材料中，兩個狹縫一個接一個地迅速出現，然后又迅速消失，這應該會使進入的波保持其在空間中的路徑，但在頻率上會分散開來。研究人員通過連續兩次打開和關閉半導體反射鏡的反射率，并沿著反射鏡反彈出的光的頻譜記錄干涉條紋，實現了這一目的。他們發現，干涉發生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置。這項工作可以有多種應用，如用于信號處理和通信的光學開關或光學計算。


脊髓損傷后通過數字橋梁實現自然行走

恢復控制大腦和脊髓之間的數字橋梁幫助癱瘓者自然行走。|圖源：CHUV/吉爾斯·韋伯

感謝洛桑聯邦理工學院（EPFL）的格雷瓜爾-庫廷（Grégoire Courtine）、洛桑大學醫院和洛桑聯邦理工學院的約瑟琳-布洛赫（Jocelyne Bloch）、CEA-Leti's Clinatec的紀堯姆-沙爾韋（Guillaume Charvet）及其同事開發出大腦和脊髓之間的「數字橋梁」，使一名癱瘓患者能夠自然站立和行走。脊髓損傷會切斷大腦與脊髓中產生行走功能的區域之間的交流，從而導致永久性癱瘓。為了恢復這種交流，研究小組開發了一種腦-脊接口，由兩個植入式系統組成：一個系統用于記錄大腦皮層活動并解碼用戶移動下肢的意圖；另一個系統用于電刺激脊髓中控制腿部運動的區域。研究小組在一名10年前因自行車事故導致脊髓損傷的38歲男子身上測試了該系統。植入手術后，這座橋使受試者重新獲得了對腿部運動的直覺控制，使他能夠站立、行走、爬樓梯和穿越復雜地形。


大規模量子網絡的基石

奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck）和法國巴黎薩克雷大學（University of Paris-Saclay）的本-蘭尼恩（Ben Lanyon）及其同事建造了一個量子中繼器，并利用它通過標準電信光纖將量子信息傳輸了50千米，從而在一個系統中展示了遠距離量子網絡的所有關鍵功能。研究小組利用一對被困的鈣-40離子創建了量子中繼器，這些離子在激光脈沖照射下會發出光子。每個光子都與其「母體」離子糾纏在一起，然后被轉換成電信波長，并通過25千米長的光纖分別發送出去。最后，中繼器交換兩個離子上的糾纏，使兩個糾纏光子相距50公里--這大致是創建具有多個節點的大規模網絡所需的距離。


首張單原子X射線圖像

美國阿貢國家實驗室的Saw Wai Hla、Volker Rose及其同事利用同步輻射X射線為單個原子成像。直到最近，利用同步輻射X射線掃描隧道顯微鏡分析的最小樣本量還是一個原子圖，即大約10,000個原子。這是因為單個原子產生的X射線信號非常微弱，傳統探測器的靈敏度不足以探測到它。為了解決這個問題，研究小組在傳統的X射線探測器上添加了一個鋒利的金屬尖端，并將其置于待研究樣品上方1納米處。當鋒利的針尖在樣品表面移動時，電子穿過針尖和樣品之間的空間，產生電流，從而探測到每種元素獨有的「指紋」。這使得研究小組能夠將掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨率與強X射線照明提供的化學敏感性結合起來。這項技術可應用于材料設計和環境科學領域，因為它能夠追蹤有毒物質到極低的水平。


「早期星系改變宇宙的」確鑿證據

感謝EIGER協作小組利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）找到令人信服的證據，證明早期星系是早期宇宙再電離的罪魁禍首。再電離發生在宇宙大爆炸之后大約10億年，涉及氫氣的電離。這使得原本被氫氣吸收的光線能夠傳播到今天的望遠鏡中。電離似乎是從局部氣泡開始的，這些氣泡不斷擴大并凝聚在一起。這些氣泡是由輻射源產生的，其中一種可能是來自星系中的恒星。EIGER的研究人員利用JWST的近紅外相機觀察了穿過電離氣泡的古類星體發出的光。他們發現星系的位置與氣泡之間存在相關性，這表明來自這些早期星系的光線確實是造成再電離的原因。


材料中的超音速裂紋

感謝以色列耶路撒冷希伯來大學的Meng Wang、Songlin Shi和Jay Fineberg，他們他們發現某些材料中裂紋的擴展速度可以超過音速。這一結果與之前的實驗結果和基于經典理論的預測相矛盾，經典理論認為超音速裂紋傳播是不可能的，因為材料中的聲速反映了機械能在材料中移動的速度。研究小組的觀察結果可能表明，存在所謂的「超剪切」動力學，其原理與指導經典裂紋的原理不同，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的邁克爾-馬爾德（Michael Marder）在近20年前就預測到了這一點。




Antimatter does not fall up

歐洲核子研究中心正在組裝ALPHA-g的筒狀閃爍體。(歐洲核子研究中心提供）

ALPHA合作組證明反物質對重力的反應與物質大致相同。物理學家利用歐核中心的ALPHA-g實驗首次直接觀察到自由落體的反物質原子——反氫原子，由與反電子結合的反質子組成。這是在一個高的圓柱形真空室中完成的，其中反氫首先被保存在磁阱中。反氫從陷阱中釋放出來并在室壁上湮滅。研究團隊發現，釋放點下方發生的湮滅事件多于釋放點上方發生的事件。在考慮了反氫的熱運動后，研究團隊得出結論，反物質會下落。令人著迷的是，反氫因重力而產生的加速度約為正常物質所經歷的加速度的75%。盡管這種測量的統計顯著性較低，但它為標準模型之外的新物理學打開了大門。


榮譽獎：聚變能源突破

今年的前十名中，值得一提的是在美國造價35億美元的國家點火裝置(NIF)工作的物理學家，他們去年年底在Physics World選出2022年獲獎者后在該實驗室進行了工作（因此錯過了Physics World 2023年突破性的選擇）。2022年12月13日，美國能源部部長和LLNL的科學家們共同宣布了這項有關「無限清潔能源」的重大科學突破。2022年12月5日，LLNL在向目標提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。這次凈能量增益的演示標志著激光聚變的一個重要里程碑。