《物理世界》：2025年物理学十大突破性进展揭晓

　　

　　欣然宣布2025年度十大突破性进展，涵盖天文学、反物质、原子和分子物理学等领域的研究成果。这十大突破性进展是《物理世界》 年度突破性进展奖的入围名单，

在小行星上寻找生命物质

　　

　　分析返还的样本：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。（图片由史密森尼学会的詹姆斯·迪·洛雷托提供）

　　谨此表彰蒂姆·麦考伊、丹尼·格拉文、杰森·德沃金、古川义弘、安·阮、斯科特·桑福德、扎克·盖恩斯福斯以及国际合作团队，感谢他们从近地小行星101955贝努带回的样本中鉴定出盐、氨、糖、富含氮和氧的有机物以及微量富含金属的超新星尘埃。这颗小行星的化学成分极其丰富，NASA的OSIRIS-REx探测器于2020年对其进行了探测。这一发现为长期以来关于小行星撞击可能为早期地球“播撒”生命形成所需原料的假说提供了支持。此外，这些发现也加深了我们对贝努以及太阳系其他天体如何从围绕年轻太阳凝聚的物质盘中形成的理解。

第一个超流体分子

　　表彰加拿大不列颠哥伦比亚大学的桃濑隆正和日本理化学研究所原子、分子和光学物理实验室的隈进，他们首次观测到分子中的超流性。分子氢是所有分子中最简单、最轻的，理论学家预测它会在1-2 K的温度下进入超流态。但这远低于分子的冰点13.8 K，因此桃濑、隈及其同事首先需要找到一种方法来保持氢的液态。一旦实现了这一点，他们接下来就需要研究如何检测超流性的出现。他们花费了近20年的时间，最终通过将氢分子簇限制在氦纳米液滴中，并在这些簇中嵌入甲烷分子，然后监测甲烷的旋转，成功实现了这一目标。他们现在计划研究更大的氢原子团簇，目的是探索该系统中经典行为和量子行为之间的界限。

空芯光纤突破了光传输40年的限制

　　英国南安普顿大学和微软Azure Fiber的研究人员因开发出一种新型光纤而获奖。这种光纤能够降低信号损耗、提升带宽，并有望实现更快、更环保的通信。由弗朗切斯科·波莱蒂（Francesco Poletti）领导的团队通过用空气代替传统光纤的玻璃纤芯，并利用能够将特定频率的光反射回纤芯的玻璃膜来捕获光，使其在光纤的空心中心持续传输，从而实现了这一突破。他们的研究结果表明，这种空心光纤的衰减比标准玻璃光纤降低了35%——这意味着长距离光缆所需的放大器数量将减少——并且传输速度提高了45%。微软已开始在实际系统中测试这种新型光纤，在其网络中安装了光纤段并进行了实时流量传输。这些试验为逐步推广应用铺平了道路，波莱蒂表示，这种空心光纤未来有望取代现有的海底光缆。

首批患者接受了质子弧疗法治疗

　　

　　PAT先驱者们在质子治疗机架室的研究团队。（图片由特伦托物理卫生大学和质子治疗大学提供）

　　谨此表彰意大利特伦托质子治疗中心的弗朗切斯科·弗拉基奥拉及其同事，感谢他们首次使用质子弧形治疗（PAT）开展临床治疗。质子治疗是一种精准的癌症治疗方法，通常采用笔形束扫描的方式，将剂量精确地投射到肿瘤上。但这种方法受限于在可接受的治疗时间内可实现的束流方向数量有限。PAT 通过采用弧形轨迹克服了这一限制，质子可以沿多个束流角度进行照射，并有可能优化每个束流方向的能量数量。该团队与瑞典RaySearch 实验室的研究人员合作，成功地将 PAT 与临床质子治疗方案进行了剂量学比较。在可行性测试证实 PAT 临床应用的可行性后，研究人员使用 PAT 治疗了九名癌症患者。值得注意的是，所有治疗均使用该中心现有的质子治疗系统和临床工作流程完成。

用于量子生物传感的蛋白质量子比特

　　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。他们指出，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。

第一块二维金属薄片

　　表彰中国科学院物理研究所的张光宇、 杜罗军及其同事成功制备出首张二维金属薄片。自2004年石墨烯（一种仅有一个原子厚的碳薄片）被发现以来，数百种其他二维材料已被制备和研究。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弱范德华力（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。然而，鉴于金属中的每个原子都与周围原子在各个方向上紧密结合，许多人认为制备原子级薄的金属是不可能的。张光宇、杜罗军及其同事开发的技术是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。研究人员将金属粉末熔化成液滴后，施加200兆帕的压力，并持续进行这种“范德华挤压”，直至砧座两侧冷却至室温，形成二维金属薄片。该团队制备了五种原子级薄的二维金属——铋、锡、铅、铟和镓——其中最薄的约为6.3埃。研究人员表示，他们的工作只是“冰山一角”，他们现在的目标是利用这些新材料研究基础物理学。

对单个反质子的量子控制

　　

　　精妙的控制：物理学家芭芭拉·拉塔茨在欧洲核子研究中心 (CERN) 的 BASE 实验中。（图片由 CERN 提供）

　　祝贺欧洲核子研究中心 (CERN) 的BASE 合作组首次对单个反质子（质子的反物质对应物）进行了相干自旋光谱学研究。他们的突破性成果是对反质子磁性最精确的测量，可用于检验粒子物理学的标准模型。实验首先在加速器中产生高能反质子。这些反质子必须冷却（减速）至低温，同时避免湮灭。然后，将单个反质子捕获在超冷电磁阱中，利用微波脉冲操控其自旋态。最终得到的共振峰比之前的测量结果窄了 16 倍，实现了精度的显著提升。这种量子控制水平为高灵敏度地比较物质（质子）和反物质（反质子）的性质打开了大门。意想不到的差异可能指向超越标准模型的新物理学，也可能揭示可见宇宙中物质远多于反物质的原因。

基于智能手机的地震预警系统

　　谨此表彰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。

一颗气态巨行星的“天气图”

　　表彰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33,000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。

迄今为止拍摄到的单个原子最高分辨率图像

　　由马里兰大学张一超和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校黄品珊领导的团队，因拍摄到迄今为止材料中单个原子最高分辨率的图像而获奖。该团队利用一种名为电子叠层衍射成像（electronic ptychography）的电子显微镜技术，实现了15皮米（pm）的分辨率，这比原子尺寸小约10倍。他们研究了由两层原子级薄的二硒化钨堆叠而成的莫尔超晶格，这两层材料彼此旋转形成莫尔超晶格。这种扭曲的二维材料引起了物理学家的极大兴趣，因为它们的电子性质会随着旋转角度的微小变化而发生显著改变。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。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。这可能有助于设计新型实用材料。