《物理世界》揭曉2024年度十大科學突破

　   世界知名的學術期刊《物理世界》2024年度十大科學突破于12月12日揭曉。中國兩項科研成果入選：自帶“開關”的半導體石墨烯，以及從月球背面返回的第一批樣本

《物理世界》編輯團隊回顧了今年以來報道過的所有科學發現，並挑選出他們認為最重要的10項。這些突破必須滿足以下標準：知識或理解上的重大進步、對科學進步和/或實際應用開發的重要性，以及受到讀者普遍關注。這十大突破如下。

　　吸光染料將皮膚變成“透明窗”

　　皮膚是一種散射介質，是不透明的。但美國得克薩斯大學達拉斯分校與斯坦福大學的聯合團隊，在活體小鼠頭部和腹部皮膚上塗抹水與檸檬黃的混合液，讓這些區域變得透明。該過程在動物試驗中可逆，有望在廣泛的醫學診斷中發揮重要作用。

　　激光冷卻正電子

　　歐洲核子研究中心（CERN）與日本東京大學團隊成功演示了正電子的激光冷卻技術。通過將正電子冷卻至低溫，團隊不僅能夠更精確地研究這些反粒子，還能顯著提高反氫（由正電子和反質子組成的反原子）的産量，預計可增加一到兩個數量級。這一成就也標誌著在理解和研究反物質領域的一個重要進展。

　　肺細胞建模用於個性化放療

　　放射療法是肺癌治療的一種有效手段，但其對健康組織有潛在損害。英國、德國及美國科學家組成的聯合團隊開發了一個計算模型，在納米尺度上模擬了肺泡接受輻射的過程。該模型能夠依據傳遞給每個細胞的輻射劑量及其分佈情況，預測細胞的存活或死亡，並評估從數小時到數年時間段內輻射損傷的程度。該模型將優化肺癌的放射治療方案。

　　半導體石墨烯自帶“開關”

　　中國天津大學與美國佐治亞理工學院團隊，攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題：通過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯。同樣在今年，英國曼徹斯特大學團隊利用石墨烯能夠同時傳導質子和電子的特性開發了新型器件，其中質子電流被用來執行邏輯操作，而電子電流則用於編碼部分內存。這些成果被認為是開啟石墨烯芯片製造領域大門的重要里程碑。

　　單個原子核衰變探測

　　美國耶魯大學團隊開發了一種技術，通過將放射性鉛-212原子嵌入微米尺寸的二氧化硅球中，測量這些原子核衰變時從球體逸出所産生的反衝，以此來檢測單個氦核的衰變。這項技術提供的高靈敏度，也使中微子的檢測成為可能。

　　兩種不同原子核描述首次統一

　　美國麻省理工學院、德國明斯特大學等國際研究團隊，首次成功統一了兩種不同的原子核描述方式。他們將粒子物理學中關於原子核由夸克和膠子構成的觀點，與傳統核物理學中將原子核視為相互作用的質子和中子集合的觀點結合起來。這標誌著人們對於原子核結構及強相互作用的理解取得了重要進展。

　　小型低成本鈦藍寶石激光器

　　美國斯坦福大學團隊開發了一種緊湊的單晶鈦藍寶石—絕緣體的光學器件。該激光器只需一個簡單的綠色LED作為泵浦源，成本和佔地面積降低了3個數量級，功耗降低了兩個數量級，且能夠調整激光的波長。未來人們有望將鈦藍寶石激光器從大型實驗室設備轉變為便攜式、低成本的工具。

　　量子糾錯能力向實用化邁進

　　來自美國哈佛大學、麻省理工學院和QuEra計算公司的團隊，以及谷歌量子AI團隊，分別展示了有效的量子糾錯技術。前者在一個擁有48個邏輯量子比特的原子處理器上進行演示；而後者則在超導芯片中實現了低於表面碼閾值的量子糾錯。為了使量子計算機能夠成為實用的問題解決工具，有效地糾錯至關重要。這兩個團隊通過使用截然不同的系統展示他們的量子糾錯方法，意味著量子計算機向實用化邁出了重要一步。

　　利用糾纏光子編碼和增強圖像

　　兩個國際研究團隊展示了量子技術在光學領域的潛力。法國索邦大學的研究人員開發了一種使用量子糾纏將圖像編碼進一束光的方法。在另一項合作研究中，索邦大學與英國格拉斯哥大學科學家聯手，探索了如何利用糾纏光子來提升自適應光學成像的質量。這些成果推動高精度成像技術的進步。

　　月球背面首批樣本返回

　　2024年6月25日，中國嫦娥六號月球探測器首次完成人類從月球背面採樣的壯舉，攜帶1935.3克樣品返回地球。11月15日，中國科學家採用嫦娥六號月球樣品做出的首批兩項獨立研究成果，同時刊登在國際學術期刊《自然》與《科學》雜誌上。兩項研究首次揭示月球背面約28億年前仍存在年輕的岩漿活動，填補了月球玄武岩樣品在該時期的記錄空白。