《物理世界》（Physics World）雜志近日宣布了2025年物理學的十大突破性進展，這些突破涵蓋了天文學、反物質(zhì)、原子與分子物理等領(lǐng)域。編輯團隊回顧了2025年1月1日以來報道的所有科學發(fā)現(xiàn)，選出了十項他們認為最重要的成果。

1.成功制備首批二維金屬薄片

一臺用于制造二維金屬的裝置

圖源：中國科學院物理研究所/新華社

《物理世界》2025年度突破獎授予中國科學院物理研究所的張廣宇、杜羅軍及其同事，他們成功制備了首批二維金屬薄片。該團隊制備了五種原子級的二維金屬薄片——鉍、錫、鉛、銦和鎵——其中最薄的約6.3 ?。研究人員表示，他們的工作只是“冰山一角”，未來計劃利用這些新材料來探索物理學的基礎(chǔ)問題。這一突破還有望推動新技術(shù)的發(fā)展。

自2004年石墨烯（一種僅有一個原子厚的碳薄片）被發(fā)現(xiàn)以來，物理學家已經(jīng)制備和研究了數(shù)百種其他二維材料。在大多數(shù)此類材料中，共價鍵合的原子層之間存在間隙，相鄰原子層之間僅通過微弱的范德華力（vdW）相互作用維系，因此相對容易“剝離”單層原子以制備二維薄片。許多人認為，鑒于金屬中的每個原子都與周圍原子在各個方向上牢固結(jié)合，因此制造原子級薄的金屬是不可能的。

張廣宇、杜羅軍及其同事開發(fā)的新技術(shù)將純金屬粉末置于兩個單層二硫化鉬/藍寶石范德華砧之間加熱。待金屬粉末熔化成液滴后，施加200 MPa的壓力，并持續(xù)進行這種“范德華擠壓”，直至砧面冷卻至室溫，形成二維金屬薄片。

2. 在小行星上發(fā)現(xiàn)生命物質(zhì)

史密森尼國家自然歷史博物館隕石館館長蒂姆·麥考伊（右）和研究地質(zhì)學家卡里·科里根正在查看貝努小行星樣本的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖源：James Di Loreto, Smithsonian

授予包括美國史密森尼國家自然歷史博物館隕石館館長蒂姆·麥考伊（Tim McCoy）在內(nèi)的國際合作團隊，他們在近地小行星101955 Bennu的返回樣本中鑒定出鹽、氨、糖、富含氮和氧的有機物質(zhì)，以及富含金屬的超新星塵埃痕跡。這一驚人的化學豐富性支持了長期存在的假設，即小行星撞擊可能為早期地球“播種”了生命形成所需的原始成分。這些發(fā)現(xiàn)還加深了我們對Bennu以及太陽系其他天體如何從圍繞年輕太陽的物質(zhì)盤中形成的理解。3. 首個超流體分子

圖源：Dr. Susumu Kuma, RIKEN

授予加拿大不列顛哥倫比亞大學的Takamasa Momose和日本理化學研究所原子、分子與光學物理實驗室的Susumu Kuma，他們首次觀察到分子的超流性。分子氫是最簡單、最輕的分子，理論學家預測它會在1—2 K溫度下進入超流態(tài)。但這個溫度遠低于其凝固點13.8 K，因此Momose、Kuma及其同事首先開發(fā)了一種讓氫持續(xù)處于液態(tài)的方法，然后他們開發(fā)檢測超流性開始的方法。完成這兩個步驟用將近20年，通過將氫分子簇限制在氦納米液滴內(nèi)，并在簇中嵌入甲烷分子，并監(jiān)測甲烷的旋轉(zhuǎn)，他們終于成功了。他們現(xiàn)在計劃研究更大的氫簇，以探索該系統(tǒng)中經(jīng)典行為與量子行為的邊界。4. 空芯光纖打破40年光傳輸極限

微結(jié)構(gòu)纖維芯堆疊

圖源：南安普頓大學

授予英國南安普頓大學和微軟Azure Fiber的研究人員，他們開發(fā)了一種新型光纖，降低了信號損失，提升了帶寬，并有望實現(xiàn)更快、更環(huán)保的通信。由Francesco Poletti領(lǐng)導的團隊通過用空氣取代傳統(tǒng)光纖的玻璃芯，并使用玻璃膜在特定頻率反射光線，將光線困在空芯中并保持傳輸，從而實現(xiàn)了這一突破。結(jié)果顯示，這種空芯光纖的衰減比標準玻璃光纖低35%——意味著長距離電纜可減少的放大器數(shù)量——并將傳輸速度提高了45%。微軟已開始在真實系統(tǒng)中測試這些新光纖，在其網(wǎng)絡中安裝光纖段傳輸實時流量。這些試驗為逐步應用打開了大門，Poletti認為空芯光纖有一天可能取代現(xiàn)有的海底電纜。5. 首次使用質(zhì)子弧療法治療患者

圖源：特倫托物理衛(wèi)生大學和質(zhì)子治療大學

授予意大利特倫托質(zhì)子治療中心的Francesco Fracchiolla及其同事，他們首次使用質(zhì)子弧療法（PAT）進行臨床治療。質(zhì)子療法是一種精確的癌癥治療，通常使用筆形束掃描將劑量精確“涂抹”到腫瘤上。但這種方法受限于在可接受治療時間內(nèi)可用的束方向數(shù)量較少。PAT通過采用弧形軌跡，并在大量束角度上照射質(zhì)子，并潛在優(yōu)化每個束方向的能量數(shù)量，來克服這一限制。該團隊與瑞典RaySearch Laboratories的研究人員合作，對臨床質(zhì)子療法計劃進行了成功的劑量學比較。在確認臨床PAT交付可行性的測試后，研究人員使用PAT治療了九名癌癥患者。重要的是，所有治療都使用該中心的現(xiàn)有質(zhì)子療法系統(tǒng)和臨床工作流程進行。6. 用于量子生物傳感的蛋白質(zhì)量子比特

雅各布·費德和本杰明·索洛韋所在的科研團隊致力于設計可在活細胞內(nèi)直接生產(chǎn)的蛋白質(zhì)量子比特。

圖源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/杰森·史密斯

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的Peter Maurer和David Awschalom及其同事設計了一種蛋白質(zhì)量子比特（qubit），可以直接在活細胞內(nèi)生產(chǎn)并用作磁場傳感器。目前許多量子傳感器都基于金剛石中的氮-空位（NV）中心，但它們體積龐大，難以在活細胞內(nèi)定位。該團隊另辟蹊徑，使用了直徑僅為3納米的熒光蛋白，并且可以通過細胞在所需位置以原子級精度進行生產(chǎn)。這些蛋白質(zhì)具有與基于NV中心的量子比特類似的光學和自旋特性——即它們都具有亞穩(wěn)態(tài)三重態(tài)。研究人員使用近紅外激光脈沖對黃色熒光蛋白進行光學尋址，并以高達20%的自旋對比度讀取其三重態(tài)自旋態(tài)。隨后，他們對該蛋白進行基因改造，使其在細菌細胞中表達，并測量了對比度高達8%的信號。研究團隊表示雖然這種性能與 NV 量子傳感器的性能不相上下，但它能夠直接在活細胞內(nèi)進行磁共振測量，而 NV 中心無法做到這一點。

7. 有史以來最高分辨率的單個原子圖像

原子成像：左圖顯示了二維材料中存在的原子。右圖是單個原子的照片。

圖源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學院

授予馬里蘭大學的張一超和伊利諾伊大學香檳分校的Pinshane Huang領(lǐng)導的團隊，他們捕捉了材料中單個原子有史以來最高分辨率的圖像。該團隊使用電子顯微鏡技術(shù)——電子疊層成像（electron ptychography）——實現(xiàn)了15 皮米（pm）的分辨率，這大約是原子大小的十分之一。他們研究了兩層原子級薄的二硒化鎢堆疊，這些層相對旋轉(zhuǎn)形成莫爾超晶格。這些扭曲的二維材料因其電子特性可隨小旋轉(zhuǎn)角度變化而劇變，備受物理學家關(guān)注。該顯微鏡的超高分辨率使他們能夠觀察到材料中被稱為莫爾相位子的集體振動，稱為莫爾聲子（moiré phasons），這些相位子類似于聲子，但此前從未被直接觀測到。該團隊的觀測結(jié)果與莫爾相位子的理論預測相吻合。他們的顯微鏡技術(shù)應該能夠增進我們對莫爾條紋相位子和其他晶格振動在固體物理學中所起作用的理解，有助于設計新型實用材料。

8. 對單個反質(zhì)子的量子控制

物理學家芭芭拉·拉塔茨在CERN的 BASE 實驗中。

圖源：CERN

授予歐洲核子研究中心（CERN）的BASE合作團隊，他們首次對單個反質(zhì)子（質(zhì)子的反物質(zhì)對應物）進行相干自旋譜學測量。這一突破是對反質(zhì)子磁特性迄今最精確的測量，可用于檢驗粒子物理的標準模型。實驗從加速器中產(chǎn)生高能反質(zhì)子開始，這些反質(zhì)子必須冷卻至低溫而不會因湮滅而丟失。然后，將單個反質(zhì)子困在超冷電磁阱中，使用微波脈沖操縱其自旋狀態(tài)。所得共振峰比以往測量窄16倍，實現(xiàn)精度顯著提升。這種量子控制水平為物質(zhì)（質(zhì)子）和反物質(zhì)（反質(zhì)子）性質(zhì)的高靈敏度比較打開了大門。意外差異可能指向標準模型之外的新物理，并可能揭示為什么可見宇宙中物質(zhì)遠多于反物質(zhì)。9. 基于智能手機的地震預警系統(tǒng)

口袋里的地震探測器：這張地圖顯示了全球范圍內(nèi)已探測到并發(fā)出警報的地震分布情況。

圖源：谷歌

授予加州大學伯克利分校伯克利地震實驗室主任理查德·艾倫（Richard Allen）、谷歌的馬克·斯托蓋蒂斯（Marc Stogaitis）及其同事，感謝他們創(chuàng)建了一個全球安卓智能手機網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可作為地震預警系統(tǒng)。傳統(tǒng)的預警系統(tǒng)利用地震傳感器網(wǎng)絡，快速探測震中附近區(qū)域的地震，并向整個受災地區(qū)發(fā)布預警。然而，建設此類地震網(wǎng)絡成本高昂，許多地震多發(fā)地區(qū)甚至沒有這樣的網(wǎng)絡。研究人員利用98個國家數(shù)百萬部手機中的加速度計，創(chuàng)建了安卓地震警報（AEA）系統(tǒng)。在2021年至2024年期間對該應用程序的測試表明，該系統(tǒng)平均每月探測到312次地震，震級范圍從1.9到7.8級。對于震級4.5級及以上的地震，該系統(tǒng)會向用戶發(fā)送“采取行動”警報，平均每月發(fā)送60次，總計約1800萬條警報。該系統(tǒng)還會向預計震級為 3 級或 4 級的地區(qū)發(fā)出較少的“注意”警報。該團隊目前的目標是制作地面震動地圖，這可以幫助地震后的應急響應部門。10. 氣態(tài)巨行星的“天氣圖”

風之行星：藝術(shù)家描繪的WASP-127b，一顆距離地球約520光年的巨型氣態(tài)行星。

圖源：ESO/L Cal?ada

授予德國哥廷根大學的麗莎·諾特曼及其同事，他們繪制了首張系外行星的詳細“天氣圖”。系外行星WASP-127b的天氣預報顯示，其風速高達3.3萬公里/小時，遠超太陽系內(nèi)任何已知行星的風速，因此天氣狀況極其惡劣。WASP-127b是一顆距離地球約520光年的氣態(tài)巨行星。研究團隊利用歐洲南方天文臺甚大望遠鏡上的CRIRES+儀器，觀測了這顆系外行星在不到7小時內(nèi)凌日的過程。通過對穿過WASP-127b大氣層的星光進行光譜分析，他們發(fā)現(xiàn)了由超音速赤道風引起的多普勒頻移。盡管無法分辨來自這顆系外行星特定位置的光線，但研究團隊通過分析多普勒頻移的范圍，繪制出了WASP-127b的粗略天氣圖。諾特曼及其同事得出結(jié)論，這顆系外行星的兩極比WASP-127b的其他部分溫度更低，而其他部分的溫度可以超過1000攝氏度。他們在行星大氣層中探測到了水蒸氣，這增加了存在奇特降雨形式的可能性。

參考文獻：

https://physicsworld.com/a/top-10-breakthroughs-of-the-year-in-physics-for-2025-revealed