科技日报记者 张梦然
英国《物理世界》杂志7日公布2023年度十大突破，范围从天文学和医学物理学研究到量子科学、原子物理学等。这10项突破是由《物理世界》编辑小组选出的，他们筛选了今年在该杂志网站上发布的数百项涉及物理学所有领域的研究进展。
在活体组织内生长电极
复杂的混合物正在微制造电路上测试可注射凝胶。图源：托尔·巴尔赫德
瑞典林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学研究团队开发了一种直接在活体组织内创建电子电路的方法。将神经组织与电子设备连接，提供了一种研究神经系统复杂电信号或调节神经回路以治疗疾病的方法。刚性电子设备和软组织之间的不匹配，可能会损害脆弱的生命系统。该团队使用可注射凝胶直接在体内制造软电极。注射到活体组织后，凝胶中的酶分解体内的内源代谢物，从而引发凝胶中有机单体的酶聚合，将其转化为稳定、柔软的导电电极。研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中来验证这一过程，凝胶在斑马鱼和药用水蛭中聚合并在组织内生长电极。
中微子探测质子的结构
美国罗切斯特大学、费米国家实验室、加拿大约克大学组成的研究团队，展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是亚原子粒子，以很少与物质相互作用而闻名。因此，当研究人员提出可观察到塑料中质子偶尔散射的中微子时，人们产生了怀疑。该团队面临的巨大挑战是在更大的中微子背景下观察从孤立质子（氢核）散射的中微子信号，这些中微子从束缚在碳原子核中的质子散射。为解决这个问题，他们模拟了碳散射信号，并小心地将其从实验数据中减去。除了提供对质子结构的深入了解之外，该技术还可进一步阐明中微子如何与物质相互作用。
在BEC中模拟膨胀的宇宙
德国海德堡大学、波鸿鲁尔大学、耶拿大学和西班牙马德里康普顿斯大学、比利时布鲁塞尔自由大学组成的联合研究团队，使用玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）来模拟膨胀的宇宙及其内部的量子场。在这个模拟系统中，凝聚态代表了宇宙，而穿过凝聚态的声子则扮演了量子场的角色。通过改变BEC中原子的散射长度，研究小组使“宇宙”以不同的速率膨胀，并研究了声子如何在其中传播密度波动。宇宙学理论预测，类似的效应导致了早期宇宙中大规模结构的形成，因此模拟的宇宙可能会产生有价值的见解，让人们了解真实的宇宙是如何变成今天的样子的。
时间的双缝
伦敦帝国理工学院研究团队演示了杨氏双缝时间干涉。托马斯·杨在19世纪对光波干涉的观察是物理学史上最具标志性的实验之一，为光的波动理论提供了基础支持。虽然该实验和其他类似实验涉及光通过空间中的一对窄缝的衍射，但新研究表明，使用双缝在时间上实现等效效果是可能的。时间模拟涉及固定动量但变化的频率。一种材料，其中两个狭缝快速出现然后一个接一个地消失，应该会导致入射波在空间中保持其路径，但在频率上分散。研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体镜的反射率并沿着从镜反射的光的频谱记录干涉条纹来实现这一目标。他们发现干扰发生在不同频率的波之间，而不是不同的空间位置之间。这项工作可能有多种应用，例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。
数字“桥梁”使脊髓损伤患者自然行走
恢复控制大脑和脊髓之间的数字桥梁帮助瘫痪者自然行走。图源：CHUV/吉尔斯·韦伯
瑞士洛桑联邦理工学院、洛桑大学医院研究团队在大脑和脊髓之间开发了一座“数字桥梁”，使瘫痪者实现了自然站立和行走。脊髓损伤会断开大脑和负责行走的脊髓区域之间的通信，从而导致永久性瘫痪。为了恢复这种通信，该团队开发了一种脑—脊柱接口，包括两个可植入系统：一个用于记录皮质活动并解码用户移动下肢的意图；另一个用于电刺激控制腿部运动的脊髓区域。该团队在一名38岁的男子身上测试了该系统，该男子10年前因自行车事故造成脊髓损伤。植入手术后，这座“桥梁”使参与者能够重新获得对腿部运动的直观控制，重新站立、行走、爬楼梯和穿越复杂的地形。
大规模量子网络的构建模块
奥地利因斯布鲁克大学和法国巴黎萨克雷大学研究团队建造了一个量子中继器，并使用它通过标准电信光纤在50公里的距离上传输量子信息，从而展示了所有单个系统中长距离量子网络的关键功能。该团队利用一对被捕获的钙40离子创建了量子中继器，这些离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。这些光子中的每一个都与其“母”离子纠缠在一起，然后被转换为电信波长并沿着单独的25公里长的光纤发送。最后，中继器交换两个离子上的纠缠，使两个纠缠光子相距50公里，大约是创建具有多个节点的大规模网络所需的距离。
第一张单个原子的X射线图像
美国阿贡国家实验室研究团队利用同步加速器X射线对单个原子进行成像。直到最近，使用同步加速器X射线扫描隧道显微镜可分析的最小样本量为阿克，约为10000个原子。这是因为单个原子产生的X射线信号极其微弱，传统探测器的灵敏度不足以检测到它。为解决这个问题，该团队在传统的X射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端，该探测器放置在待研究样品上方仅1纳米处。当尖锐的尖端在样品表面移动时，电子穿过尖端和样品之间的空间产生电流，这本质上检测到每个元素独特的“指纹”。这使得该团队能够将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强X射线照明提供的化学灵敏度结合起来。该技术能将有毒材料追踪到极低的水平，从而可在材料设计和环境科学领域得到应用。
早期星系改变宇宙的“铁证”
艾格峰合作组织利用詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）找到了令人信服的证据，证明早期星系导致了早期宇宙的再电离。再电离发生在大爆炸后约10亿年，涉及氢气的电离。这使得原本被氢吸收的光能够传播到今天的望远镜。再电离似乎是随着局部气泡的生长和合并而开始的。这些气泡可能是由辐射源产生的，一种可能性是它来自星系中的恒星。艾格峰研究人员使用JWST的近红外相机来观察穿过电离气泡的古代类星体发出的光。他们发现星系位置和气泡之间存在相关性，这表明来自这些早期星系的光确实导致了再电离。
材料中的超音速裂纹
以色列耶路撒冷希伯来大学研究团队发现某些材料中的裂纹传播速度可超过声速。这一结果与之前的实验结果和基于经典理论的预测相矛盾，经典理论认为超音速裂纹扩展是不可能的，因为材料中的声速反映了机械能穿过材料的速度。该团队的观察结果可能表明存在所谓的“超剪切”动力学，其受不同于引导经典裂缝的原理的控制，正如美国得克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·马德近20年前所预测的那样。
反物质会不会掉下来？
ALPHA-g的筒状闪烁体正在欧洲核子研究中心组装。图源：欧洲核子研究中心
ALPHA合作组证明反物质对重力的反应与物质大致相同。物理学家利用欧核中心的ALPHA-g实验首次直接观察到自由落体的反物质原子——反氢原子，由与反电子结合的反质子组成。这是在一个高的圆柱形真空室中完成的，其中反氢首先被保存在磁阱中。反氢从陷阱中释放出来并在室壁上湮灭。研究团队发现，释放点下方发生的湮灭事件多于释放点上方发生的事件。在考虑了反氢的热运动后，研究团队得出结论，反物质会下落。令人着迷的是，反氢因重力而产生的加速度约为正常物质所经历的加速度的75%。尽管这种测量的统计显著性较低，但它为标准模型之外的新物理学打开了大门。
