《物理世界》入选2020年十大科学突破！都懂 给你赞
科技日报记者 刘霞
尽管新冠肺炎疫情仍在世界许多地方肆虐，但它并没有阻止科学家探索宇宙和自然。2020年，许多重大科技突破将接踵而至，带给我们惊喜，让我们的生活更美好。
英国杂志《物理世界》的编辑们严格筛选了今年在该网站上发表的数百项研究成果，本着在提高我们对知识或科学的理解方面取得巨大进步，对科学进步和实际应用产生重要影响，并受到读者的深切关注的原则，选出了十项最重大的突破。
一个
第一次拍摄量子测量过程的快照
来自瑞典、德国、西班牙等国的科学家利用一系列“弱”测量来探索量子力学中叠加坍缩的本质。测量量子系统会导致它发生变化，迫使它成为一个确定的经典状态，这是量子力学奇怪但基本的方面之一。但是这项最新的研究表明，一些测量不会破坏所有的量子信息。
该团队在单锶离子实验中拍摄了一系列“快照”。结果表明，测量不是瞬时的，而是逐渐从量子叠加态变为经典态。
电场俘获锶离子。图片来源：《物理世界》杂志网站
原则上，“弱”测量过程可以在不破坏这些量子态的情况下检测到误差，因此这项工作可能有助于提高量子计算机的勘误能力。
2
第一个室温超导体出现了
美国科学家在高达15摄氏度的高温高压富氢材料中观察到超导性。
超导体可以零电阻导电，从核磁共振扫描仪中使用的高场磁体到粒子加速器，超导体都被广泛使用。但是超导体在工作时必须冷却到很低的温度，成本很高，而且使用氦气。因此，凝聚态物理学家一直期待开发能在室温下工作的超导材料。
在最新的研究中，科学家制作的碳硫氢化材料将之前的超导温度记录提高了35摄氏度左右，首次在室温下观察到超导现象。然而，它仍然需要高达260万个大气压的高压。研究人员认为，改变材料的化学成分可能会降低所需的压力。
这些突破涵盖了材料科学、量子力学、天文学、医学、物理学等多个学科。他们的目的是拓展人类的认知边界，让人类的生活更健康更美好。
三
一种新的钙钛矿x光探测器已经上市
美国科学家利用薄膜钙钛矿研制出一种极其灵敏的新型X射线探测器，比传统的硅探测器灵敏几个数量级，辐射和成本大大降低。
新型薄膜钙钛矿X射线探测器的灵敏度是传统硅探测器的100倍。图片来源：《物理世界》杂志网站
研究人员在这种薄膜钙钛矿探测器中使用了同步加速束线，发现钙和钛的X射线吸收系数平均比硅高10-40倍。这种新型x光探测器的灵敏度比传统的硅探测器高100倍，只需极低的辐射剂量就可以产生医学图像和牙科图像，即可以用少得多的x光产生与现在相同质量的图像，这对需要x光扫描成像的患者来说是个好消息。此外，构建大规模探测器阵列的成本应该远低于同规模的半导体探测器阵列。
四
在液晶中观察到铁电向列相
美国科学家首次在液晶中发现铁电向列相。在这个阶段，特定质量(畴)液晶中的所有分子大致指向同一个方向。早在1910年，美国物理化学家彼得德拜和德国犹太理论物理学家梅克斯玻恩就提出了相关假说，100多年后终于得到证实！
在最新的研究中，科学家们发现，当一个微弱的电场施加到一个名为RM734的有机分子上时，在含有液晶的细胞边缘会出现一系列明亮的颜色。证明了铁电向列相RM734比传统向列相液晶对电场更敏感。
虽然科学家们需要进一步发现在室温下能显示这种现象的材料，但铁电向列相材料无疑可以在许多领域找到应用，如新的显示屏和计算机存储器的重建。
五
科学家设定了声速的上限
英国和俄罗斯的科学家通过计算证明，固体和液体物质中声音传播速度的上限取决于两个基本常数：精细结构常数和质子与电子的质量比。
图片来源：视觉中国
他们用大量不同的材料进行实验，证实声波速度随着传播介质中原子质量的增加而降低。由此推测声波在固体氢中传播最快，经计算声波在固体氢中的传播速度接近理论极限值：36 km/s。
研究人员说：“了解固体中声波的特征可以使许多学科受益。比如地震学家可以利用地球内部深处地震产生的声波来了解地震的性质和地球的组成，以及声波和重要的弹性。特性(包括抗压能力)是相关的，这也是材料科学家感兴趣的。”
六
新的太阳中微子被探测到
意大利太阳中微子实验(Borexino)小组探测到了一个在太阳碳-氮-氧循环(CNO循环)中从未见过的中微子——CNO中微子。
Borexino探测器由278吨极其纯净的液体闪烁体组成。研究人员花了很大力气将Borexino探测器的背景辐射影响降到最低，然后做出了最新的发现。这一观测证实了80年前科学家提出的恒星核合成理论，也可以启发物理学家利用下一代中微子探测器来解开太阳的“金属丰度之谜”，一个关于太阳中碳、氮、氧丰度的未解之谜。
七
混合粒子束提高了粒子治疗的准确性
由德国和英国科学家组成的研究小组证明，混合粒子束可以同时进行癌症治疗和治疗后监测。
他们的基本思想是使用同时含有碳离子和氦离子的粒子束，其中碳离子可以照射目标肿瘤；氦离子可以直接穿透患者的身体，因此可以用于成像。
研究人员在海德堡离子束治疗中心用骨盆模型进行了实验，结果证明了使用混合粒子束监测人体内部和局部解剖变化的潜力，可以使粒子治疗更加准确，最终给癌症患者带来更好的治疗。
八
旋转电子学在光子中的应用
由中国、美国等国科学家组成的国际团队已经证明，在二维三氧化钼的扭曲层中，光可能在没有色散和衍射的情况下传播，分辨率超过衍射极限一个数量级。
他们的研究基于“魔法角”石墨烯的发现，这种石墨烯通过使用扭曲的二维材料层来改变光子(而不是电子)的传播特性。
他们指出，“旋转电子学”催生了一系列关于超导和电子态的研究，新的“扭曲光子学”有望在纳米成像、量子光学、量子计算和低能光信号处理方面展现其才华。
九
直接带隙硅基光发射机已经研制成功
荷兰和德国的科学家开发了一种直接带隙硅基材料，可用于通信领域。
一般情况下，硅的电子带隙是间接的，这意味着硅的发光能力很弱，必须与其他半导体材料结合才能制造出有效的光电器件。
为了开发直接带隙，研究人员必须开发一种具有六方晶体结构的硅锗合金晶体，而不是特殊的金刚石结构。
在最新的研究中，科学家开发了发射红外光的合金纳米线。研究人员表示，除了光通信和光计算之外，这种新的硅基材料还可以用来开发化学传感器。
10
量子波动“踢开”了大镜子
麻省理工学院的俞好存和LIGO科学合作小组的成员一起，首次测量了量子涨落对人类尺度物体的宏观影响。
图片来源：视觉中国
他们的研究报告指出，尽管微观量子波动很小，但它们仍然可以“踢”一个像LIGO 40公斤重的镜子那么大的物体，导致这个物体移动很小。而且，他们测量了这个。LIGO探测器中的量子噪声足以使大镜子移动10-20米。这个位移是量子力学预测的。对于这种大小的宏观物体，科学家们曾经，
这项研究可以提高LIGO、欧洲“处女座”引力波干涉仪以及未来天文台对引力波的观测能力。
资料来源：《科技日报》
编辑：宋慈(实习)
审计：朱莉
期末复习：冷文生